Autor: María José Mesa Quesada Tutores: Jesús Justo Estebaranz Luís Arístides Távara Mendoza

Transcripción

1 Proyecto Fin de Carrera Ingeniería Aeronáutica Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos Autor: María José Mesa Quesada Tutores: Jesús Justo Estebaranz Luís Arístides Távara Mendoza Equation Chapter 1 Section 1 Dep. Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2015

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3 Proyecto Fin de Carrera Ingeniería Aeronáutica Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos Autor: María José Mesa Quesada Tutores: Jesús Justo Estebaranz Luís Arístides Távara Mendoza Dep. Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2015 iii

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5 Proyecto Fin de Carrera: Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos Autor: María José Mesa Quesada Tutores: Jesús Justo Estebaranz Luís Arístides Távara Mendoza El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2015 El Secretario del Tribunal v

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7 AGRADECIMIENTOS A mis tutores Jesús Justo y Luís Távara, por haberme brindado la oportunidad de realizar este proyecto, por su dedicación e implicación en cada tarea del desarrollo del mismo. A Jesús Justo, por abrirme las puertas y guiarme hacia un nuevo camino en mi vida. Por su apoyo, consejos y enseñanzas, tanto en lo profesional como en lo personal. Al personal del LERM, Antonio Cañas, Isabel, José Ramón y Miguel, por acogerme desde el primer día como una más de la familia, por ayudarme y enseñarme cada tarea del laboratorio. A María del Mar, por su disposición y entusiasmo en darme a conocer el mundo de las máquinas de ensayo. A todos las personas que me han acompañado en mi etapa universitaria, con las que he compartido momentos de estudio, alegrías, risas y algún que otro llanto. En especial a José Ramón, Manuel, Inma, Antonio José, Patricia y Gerardo. A mis padres y mi hermano, quienes han hecho posible que haya llegado hasta aquí, por su apoyo y compresión. A todos ellos, muchas gracias. María José Diciembre, 2015 vii

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9 RESUMEN La fabricación tradicional de materiales compuestos lleva involucrados gran cantidad de procesos complejos, lo que conlleva largos periodos de producción así como elevados costes. Por ejemplo, el proceso de fabricación en autoclave requiere cortar las láminas de material compuesto, apilarlas (incluyendo los procesos intermedios de compactación de las láminas), realización de la bolsa de vacío y el curado del material. Además, estas técnicas, dependiendo del tipo de material utilizado, implica la generación de desperdicios, lo que conlleva la pérdida de material. Por ello, se están investigando nuevos procesos para evitar estos problemas y como alternativa al proceso de autoclave. El mejor método es implementar y automatizar todas las etapas de la fabricación tradicional en un solo proceso. Una de las alternativas es la fabricación aditiva por capas (ALM), en la cual el material es depositado, compactado y curado al mismo tiempo. En el proceso de fabricación estudiado en este Proyecto Fin de Carrera las piezas son fabricadas usando una impresora 3D para materiales compuestos. El filamento de material compuesto es inyectado por la impresora, a elevada temperatura, sobre una superficie plana. Al mismo tiempo que el material se va depositando sobre la superficie, se va enfriando y solidificando, obteniendo geometrías 3D sin el uso de complejos moldes. El filamento está formado por matriz termoplástica (nailon) y por fibra de vidrio o fibra de carbono. El objetivo de este proyecto es la puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva (impresora 3D) de materiales compuestos, así como la caracterización del material. Para ello se han realizado ensayos de caracterización mecánica, física y microscópica. ix

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11 ÍNDICE Agradecimientos Resumen Índice Índice de Tablas Índice de Figuras Capítulo 1. Introducción Objetivo del Proyecto Estructura del documento 4 Capítulo 2. Fabricación aditiva Reseña Histórica Fases del proceso Ventajas Limitaciones Tecnologías de fabricación aditiva Sectores de Aplicación 12 Capítulo 3. Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos Características generales de la impresora Componentes de la impresora Vista trasera Vista frontal Vista en planta Materiales Accesorios Calzadores de nivelación Portacarretes de nailon Pegamento de barra Espátula Pinzas Inyectores Tubo de conexión de la caja de pelicano con la impresora Tubos Bowden de conexión con el inyector de compuesto Escariador Lubricante para la instalación de los inyectores Tapón para sellar la caja de pelicano Herramientas Cable de extensión USB Cable USB A-B Dispositivo USB MarkForged Preparación y configuración de la impresora antes de su puesta en marcha Conexión de la caja de pelícano con la impresora 32 xi vii ix xi xv xvii

12 3.5.2 Instalación del filamento de nailon Instalación del filamento de compuesto Instalación del firmware en la impresora Nivelación de la cama de impresión Puesta en marcha de la impresora Fabricación de piezas Preparación de la cama de impresión Inicio de la fabricación Pausar la fabricación Extracción de las piezas fabricadas Mantenimiento Cambio del inyector de fibra Almacenamiento de materiales Filamento de nailon Filamento de compuesto Software de diseño Eiger Pantalla de inicio Diseño e importación al software de diseño Eiger Menú de configuración de las características de la pieza Entorno de visión interna de la pieza previamente configurada Configuración de la impresión 74 Capítulo 4. Caracterización de los materiales Ensayos de caracterización mecánica Determinación de las características de rigidez Fabricación de las probetas y control dimensional Instrumentación Resultados de los ensayos Nailon Ensayos de tracción Resumen caracterización de material y comparación con datasheet Mark One Ensayos de caracterización física Microscopía Compuesto de fibra de vidrio Compuesto de fbra de carbono Determinación del volumen de huecos 130 Capítulo 5. Aplicaciones Piezas con soportes Probeta con tacones de fibra de vidrio Esfera hueca de nailon Pieza de nailon con forma de V Moldes de nailon para autoclave Molde semi-esférico Molde en escalón Rigidizador con forma de Ω Conclusiones del efecto del curado Otras piezas de nailon 148 Capítulo 6. Consideraciones y aspectos a destacar Tiempo de fabricación Durante la fabricación Coste de la fabricación aditiva frente a la fabricación tradicional 158 Capítulo 7. Conclusiones y desarrollos futuros Conclusiones Desarrollos futuros Mejoras en el proceso 162

13 7.2.2 Caracterización del material Fabricación de piezas 163 Referencias 165 xiii

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15 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2-1. Tecnologías de Fabricación Aditiva 10 Tabla 2-2. Ventajas y desventajas de las tecnologías aditivas 12 Tabla 3-1. Características de la impresora 3D Mark One 18 Tabla 3-2. Espesor de las capas de nailon 63 Tabla 4-1. Campaña de ensayos mecánicos para la caracterización de los filamentos de compuesto 79 Tabla 4-2. Campaña de ensayos mecánicos para la caracterización del filamento de nailon 80 Tabla 4-3. Control dimensional de las probetas FV 0 Tracción 84 Tabla 4-4. Control dimensional de las probetas FV Tabla 4-5. Control dimensional probetas FV ±45 87 Tabla 4-6. Control dimensional de las probetas FV 0 Compresión 89 Tabla 4-7. Control dimensional probetas FC 0 Tracción 93 Tabla 4-8. Control dimensional probetas FC 0 Compresión (sin tacones) 94 Tabla 4-9. Control dimensional de las probetas FC 0 Compresión (con tacones) 95 Tabla Control dimensional de las probetas de nailon 97 Tabla Resultados experimentales FV 0 Tracción (Rigidez) 102 Tabla Resultados experimentales FV 0 Tracción (Resistencia) 103 Tabla Resultados experimentales FV 90 Tracción 105 Tabla Resultados experimentales FV ±45 Tracción (Rigidez) 107 Tabla Resultados experimentales FV ±45 Tracción (Resistencia) 108 Tabla Resultados experimentales FV 0 Compresión (Rigidez) 111 Tabla Resultados experimentales FV 0 Compresión (Resistencia) 112 Tabla Resultados experimentales FC 0 Tracción (Rigidez) 114 Tabla Resultados experimentales FC 0 Tracción (Resistencia) 115 Tabla Resultados experimentales FC 0 Compresión (Rigidez) 117 Tabla Resultados experimentales FC 0 Compresión (Resistencia, probetas sin tacones) 118 Tabla Resultados experimentales FC 0 Compresión (Resistencia, probetas con tacones) 120 Tabla Resultados experimentales probetas de nailon (Rigidez) 122 Tabla Resumen de las propiedades mecánicas del compuesto de fibra de vidrio 123 Tabla Resumen de las propiedades mecánicas del compuesto de fibra de carbono 123 Tabla Resumen de las propiedades mecánicas del nailon 124 Tabla Porcentaje de fibra y resina del filamento de compuesto de fibra de vidrio 125 xv

16 xvi Índice de Tablas Tabla Porcentaje de fibra y resina del filamento de compuesto de fibra de carbono 126 Tabla Volumen de huecos 133 Tabla 5-1. Control dimensional del molde semi-esférico de nailon 142 Tabla 5-2. Control dimensional molde semi-esférico antes y después del curado 144 Tabla 6-1. Tiempo de fabricación de las piezas de compuesto de fibra de carbono 153 Tabla 6-2. Tiempo de fabricación de las piezas de compuesto de fibra de vidrio 154 Tabla 6-3. Tiempo de fabricación de las piezas de nailon 155 Tabla 6-4. Tiempo de fabricación de las construcciones 156 Tabla 6-5. Resumen tiempo de fabricación 156 Tabla 6-6. Tiempo de fabricación tecnología aditiva (impresora 3D) 158 Tabla 6-7. Tiempo de fabricación sistema tradicional (apilado + autoclave) 158

17 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2-1. Impacto económico de ALM: reducción de costes [5] 8 Figura 2-2. Comparación características fabricación tradicional y aditiva [1] 10 Figura 2-3. Incidencia de la fabricación aditiva por sectores [4] 12 Figura 2-4. Vehículo fabricado mediante ALM 13 Figura 2-5. Cubierta para prótesis de miembros superiores 13 Figura 2-6. Compresor fabricado mediante DMLS 14 Figura 3-1. Sistema de referencia durante la fabricación 17 Figura 3-2. Vista exterior de la impresora 18 Figura 3-3. Vista frontal de la impresora 19 Figura 3-4. Vista general de la impresora junto a la caja seca de pelícano 19 Figura 3-5. Parte trasera de la impresora 20 Figura 3-6. Componentes de la impresora (vista frontal) 20 Figura 3-7. Inyectores de los filamentos de compuesto y de nailon 21 Figura 3-8. Tubos de alimentación de los filamentos 21 Figura 3-9. Sistema de refrigeración del cabezal de impresión 22 Figura Portacarretes del filamento de compuesto 22 Figura Tubo de alimentación del filamento de compuesto 23 Figura Limpiador de la boquilla de nailon 23 Figura Cama de impresión 24 Figura Vista en planta de la impresora 24 Figura Extrusoras del filamento de compuesto y del filamento de nailon 25 Figura Carretes de material (nailon y compuesto de fibra de vidrio) 25 Figura Filamentos de compuesto de fibra de carbono y de fibra de vidrio 25 Figura Pack de accesorios de la impresora 26 Figura Calzadores de nivelación 26 Figura Portacarretes del rollo de Nailon 27 Figura Pegamento de barra-lubricante entre las piezas y la cama de impresión 27 Figura Espátula para la extracción de las piezas 27 Figura Pinzas 28 Figura Inyectores nuevos y dañados 28 Figura Inyectores de repuesto 28 Figura Tubo de conexión de la caja seca de pelícano con la impresora 29 xvii

18 Figura Tubos de inserción en el inyector de compuesto 29 Figura Obstrucción de material en el tubo de inserción del inyector 29 Figura Escariador 29 Figura Lubricante para la instalación de los inyectores 30 Figura Tapón para sellar la caja de pelícano 30 Figura Destornilladores y llave Allen 30 Figura Extensión del puesto USB 31 Figura Cable USB A-B 31 Figura Dispositivo USB MarkForged 31 Figura Conexión de la caja seca de pelícano con la impresora 32 Figura Bolsa desecante 32 Figura Colocación del rollo de nailon en el portacarretes 33 Figura Conducción del filamento de nailon de la caja de pelicano a la impresora 33 Figura Introducción del filamento de nailon en la extrusora 33 Figura Material extruido tras cargar el filamento de nailon 34 Figura Tubo conectado a la extrusora de nailon 34 Figura Eliminación del filamento de nailon del tubo 35 Figura Fijación del tubo a la extrusora de nailon 35 Figura Inserción del filamento de compuesto en el tubo 35 Figura Sentido de desenrollarse el carrete de filamento de compuesto 36 Figura Introducción del filamento de compuesto en la extrusora 36 Figura Ayuda para la introducción del filamento de compuesto en la extrusora 37 Figura Expulsión del filamento de compuesto una vez cargado 37 Figura Eliminación del filamento de compuesto tras ser cargado 38 Figura Descarga del firmware desde Eiger (1) 38 Figura Descarga del firmware desde Eiger (2) 39 Figura Instalación del firmware (1) 39 Figura Instalación del firmware (2) 39 Figura Instalación del firmware (3) 40 Figura Calzadores para la nivelación de la cama de impresión 40 Figura Instalación de la cama de impresión 41 Figura Calzador para el inyector de nailon 41 Figura Ajuste de la altura del inyector de nailon 42 Figura Ajuste de la altura del inyector de compuesto 42 Figura Aplicación de pegamento de barra sobre la cama de impresión 43 Figura Limpieza de la cama de impresión 43 Figura Botón para encender la impresora 44 Figura Pantalla de inicio de la impresora 44 Figura Pantalla de la impresora durante la fabricación 45 Figura Barra de proceso en la pantalla de la impresora 45

19 Figura Pantalla de la impresora tras pausar la impresión 45 Figura Pantalla de la impresora tras finalizar la fabricación 46 Figura Temperatura de los inyectores tras la fabricación 46 Figura Temperatura adecuada para iniciar la fabricación 46 Figura Extracción de una pieza de la cama de impresión 47 Figura Cama de impresión dañada 47 Figura Pieza con soportes 48 Figura Eliminación de soportes 48 Figura Cambio del inyector del filamento de compuesto (1) 48 Figura Cambio del inyector del filamento de compuesto (2) 49 Figura Extracción del inyector del filamento de compuesto 49 Figura Instalación del inyector del filamento de compuesto (1) 50 Figura Instalación del inyector del filamento de compuesto (2) 50 Figura Página de inicio de Eiger 51 Figura Librería de Eiger 51 Figura Librería de Eiger Iconos en 3D de las piezas 54 Figura Librería de Eiger- lista de piezas 54 Figura Diseño de pieza en Catia 55 Figura Área mínima para la deposición de la fibra 57 Figura Diseño del mallado Concentric Fiber del material compuesto 58 Figura Diseño del mallado Isotropic Fiber del material compuesto 58 Figura Diseño del mallado Full Fiber del material compuesto 58 Figura Probeta con Full Fiber 59 Figura Probeta con Isotropic Fiber 59 Figura Configuración de las capas de material 59 Figura Pieza que requiere soportes 60 Figura Soportes en dirección 0 61 Figura Soportes en dirección Figura Sobredimensionamiento de la base de las piezas 62 Figura Mallado de nailon hexagonal 63 Figura Mallado de nailon rectangular 63 Figura Mallado de nailon triangular 64 Figura Densidad del nailon: 100% 64 Figura Densidad del nailon: 20% 64 Figura Vista general de Eiger tras configurar las propiedades de la pieza 66 Figura Entorno de visión interna 3D 67 Figura Entorno de visión interna 2D 71 Figura Configuración del mallado del material compuesto Concentric Fiber (1) 72 Figura Configuración del mallado del material compuesto Concentric Fiber (2) 73 xix

20 Figura 4-1. Esquema de las probetas de ensayo (0 y 90 ) [12] 80 Figura 4-2. Esquema de las probetas de ensayo (±45 ) [12] 81 Figura 4-3. Equipos para el control dimensional de las probetas 82 Figura 4-4. Fabricación de las probetas FV-0 83 Figura 4-5. Probetas FV 0 Tracción 83 Figura 4-6. Fabricación de las probetas FV-90 Tracción 84 Figura 4-7. Probeta mal fabricada con orientación de la fibra a Figura 4-8. Probetas FV 90 Tracción 85 Figura 4-9. Bordes irregulares en las probetas con la fibra a Figura Fabricación de las probetas FV ±45 86 Figura Bordes irregulares en las probetas con la fibra a ±45 86 Figura Probetas FV ±45 Tracción 87 Figura Fabricación probetas FV 0 Compresión 88 Figura Probetas FV 0 Compresión 88 Figura Fabricación del panel para las probetas FC 0 Tracción 89 Figura Panel de compuesto de fibra de carbono para obtener probetas unidireccionales 90 Figura Radio de curvatura configuración del mallado Concentric fiber 90 Figura Zona de extracción de probetas del panel de FC 90 Figura Rebaba en el corte de las probetas 91 Figura Probetas FC 0 Tracción (sin tacones) 91 Figura Adhesión de tacones de fibra de vidrio a las probetas de FC 92 Figura Probetas FC 0 Tracción (con tacones) 92 Figura Probetas FC 0 Compresión (sin tacones) 93 Figura Adhesión de tacones a las probetas de FC 0 Compresión 94 Figura Probetas FC 0 Compresión (con tacones) 95 Figura Fabricación de las probetas de Nailon con densidad del mallado del 100% 96 Figura Probetas de Nailon con densidad del mallado del 100% 96 Figura Fabricación de probeta de Nailon con densidad del mallado del 20% 97 Figura Probetas de Nailon con densidad del mallado del 20% 97 Figura Máquina de ensayo 98 Figura Dispositivo de ensayo a compresión 98 Figura Banda extensométrica XY31-3/ Figura Banda extensométrica LY41-6/ Figura Caja de bandas extensométricas 99 Figura Extensómetro 100 Figura Realización del ensayo a tracción FV Figura Gráfico Tensión-Deformación longitudinal ensayo de tracción FV Figura Gráfico Tensión-Deformación P2 FV Tracción 101 Figura Gráfica Tensión-Desplazamiento de la cruceta ensayos de tracción FV 0 102

21 Figura Roturas a tracción probetas FV Figura Realización ensayo de tracción FV Figura Gráfico Tensión-Deformación longitudinal ensayo de tracción FV Figura Comparación de acabado superficial de las probetas 105 Figura Roturas a tracción probetas FV Figura Realización ensayo de tracción FV ± Figura Gráfico Tensión-Deformación angular ensayo de tracción FV ± Figura Gráfica Tensión-Desplazamiento de la cruceta ensayos de tracción FV ± Figura Roturas a tracción probetas FV ± Figura Detalle rotura probetas FV ± Figura Realización ensayo de compresión FV Figura Gráfico Tensión-Deformación longitudinal ensayo de compresión FV Figura Gráfica Tensión-Desplazamiento de la cruceta ensayos de compresión FV Figura Roturas a compresión probetas FV Figura Realización ensayo de tracción FC Figura Gráfico Tensión-Deformación longitudinal ensayo de tracción FC Figura Gráfico Tensión-Deformación P5 FC 114 Figura Gráfica Tensión-Desplazamiento de la cruceta ensayos de tracción FC Figura Roturas a tracción probetas FC Figura Realización ensayo de compresión FC Figura Gráfico Tensión-Deformación longitudinal ensayo de compresión FC Figura Gráfica Tensión-Desplazamiento de la cruceta ensayos de compresión FC 0 (sin tacones) 118 Figura Roturas a compresión probetas FC 0 (sin tacones) 119 Figura Gráfica Tensión-Desplazamiento de la cruceta ensayos de compresión FC 0 (con tacones) 119 Figura Figura Roturas a compresión probetas FC 0 (con tacones) 120 Figura Realización ensayo de tracción probetas de nailon 121 Figura Gráfico Tensión-Deformación probetas de nailon con densidad del mallado del 100% 121 Figura Gráfico Tensión-Deformación probetas de nailon con densidad del mallado del 20% 122 Figura Balanza de precisión 124 Figura Calcinación en horno mufla 125 Figura Filamento de compuesto de fibra de vidrio antes y después de calcinación 125 Figura Filamento de compuesto de fibra de vidrio antes y después de calcinación 126 Figura Embutición de piezas de material compuesto de fibra de vidrio y fibra de carbono 126 Figura Microscopía x100 compuesto de fibra de vidrio 127 Figura Microscopía x200 compuesto de fibra de vidrio 127 Figura Microscopía x100 compuesto de fibra de vidrio unidireccional 128 Figura Microscopía x100 compuesto de fibra de carbono unidireccional (1) 129 Figura Microscopía x100 compuesto de fibra de carbono unidireccional (2) 129 xxi

22 Figura Volumen de huecos - Vista general Muestra Figura Volumen de huecos - áreas individuales Muestra Figura Volumen de huecos - Vista general Muestra Figura Volumen de huecos - áreas individuales Muestra Figura Volumen de huecos - Vista general Muestra Figura Volumen de huecos - áreas individuales Muestra Figura 5-1. Diseño 3D probeta con tacones 137 Figura 5-2. Fabricación probeta FV con tacones 137 Figura 5-3. Soportes en probeta FV con tacones 138 Figura 5-4. Probeta FV con tacones 138 Figura 5-5. Fabricación esfera hueca de nailon 138 Figura 5-6. Soportes internos esfera hueca de nailon 139 Figura 5-7. Soportes externos esfera hueca de nailon 139 Figura 5-8. Eliminación de soportes de la esfera hueca de nailon 139 Figura 5-9. Esfera hueca de nailon 140 Figura Fabricación pieza de nailon en forma de V 140 Figura Detalle de los soportes de pieza en V 140 Figura Pieza de nailon en forma de V con soportes 140 Figura Diseño del molde semi-esférico de nailon 141 Figura Fabricación del molde semi-esférico de nailon 141 Figura Molde semi-esférico de nailon 142 Figura Bolsa de vacío molde semi-esférico 142 Figura Curado de fibra de vidrio en el molde semi-esférico 143 Figura Laminación de fibra de carbono sobre molde semi-esférico 143 Figura Molde semi-esférico tras el curado a 180 C 143 Figura Comparación del molde de semi-esférico antes y después de ciclo de curado a 180 C 144 Figura Control dimensional del molde semi-esférico 144 Figura Molde en escalón de nailon 145 Figura Bolsa de vacío tras el curado del molde en escalón 145 Figura Fibra de carbono curada sobre molde en escalón 145 Figura Molde en escalón antes y después del curado 146 Figura Diseño molde rigidizador en Ω 146 Figura Molde rigidizador en Ω (vista en planta) 147 Figura Forma Ω del rigidizador 147 Figura Bolsa de vacío molde rigidizador tras el curado 147 Figura Rigidizador de fibra de carbono 147 Figura Detalle forma en Ω rigidizador de fibra de carbono 148 Figura Primera pieza de nailon fabricada con la impresora 3D 148 Figura Pieza cuadrada de nailon 149 Figura Logo GERM en 3D de nailon 149

23 Figura Logo TEAMS en 3D de nailon 149 Figura 6-1. Deposición incorrecta de material 157 Figura 6-2. Rebaba en el corte de las piezas 157 Figura 7-1. Daños en la superficie de la cama de impresión 162 Figura 7-2. Probeta para ensayo de tenacidad a fractura interlaminar 163 Figura 7-3. Pieza con bandas de fibra de vidrio y fibra de carbono 164 xxiii

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25 Capítulo 1 1. INTRODUCCIÓN

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27 Los procesos convencionales de fabricación se basan en el empleo de recursos con gran capacidad de elementos de control para conseguir niveles de precisión y fiabilidad muy elevados. La utilización de sistemas informáticos en las fases de ingeniería de diseño, fabricación y simulación de un producto, en combinación con otras técnicas basadas en la mecatrónica, han conseguido elevar los sistemas de producción a niveles elevados de eficacia. No obstante, existen algunas limitaciones en los procesos de fabricación, ya que en función del tamaño del lote a fabricar y la complejidad geométrica de las piezas, se utilizan procesos y utillajes que encarecen el coste final del elemento. Dentro de los procesos de fabricación de un producto se pueden distinguir tres grupos de tecnologías, en función del método de obtención de la geometría requerida [1]: - Tecnologías conformativas: se usan moldes o preformas para conseguir la geometría de la pieza. Este conjunto engloba prácticamente todas las técnicas que se conocen de moldeo. - Tecnologías sustractivas: la geometría específica se obtiene quitando material de una geometría mayor. Comprende técnicas como el mecanizado, la electroerosión y los cortes por chorro de agua o por láser. - Tecnologías aditivas: se obtiene la geometría añadiendo material capa a capa según un diseño virtual en 3D, sin recurrir a moldes y sin quitar material. En procesos convencionales, la fabricación de una pieza compleja exige un aumento de la complejidad en el proceso de fabricación, lo que se traduce en un sobrecoste. En el caso de procesos aditivos, un aumento de la complejidad de la pieza no se tiene por qué traducir en un aumento de dificultad en el proceso de fabricación; generalmente un aumento de la complejidad se refleja en ahorro de material y por lo tanto de tiempo, comparando con los procesos convencionales. Las complejidades añadidas a un diseño se transforman en dificultades a nivel CAD de la pieza. Por ello, con el fin de reducir costes y tiempo, las tecnologías aditivas se están convirtiendo en procesos de fabricación muy atractivos para multitud de sectores, convirtiéndose en una revolución en los procesos y sistemas de fabricación industriales. En el caso de la fabricación de materiales compuestos preimpregnados reforzados con fibra se pueden distinguir dos fases en el proceso de fabricación: la configuración del laminado y el curado. La primera incluye el conjunto de acciones que hay que realizar hasta obtener la configuración final del material compuesto, como es el apilado de láminas de preimpregnado según una secuencia y siguiendo un molde determinado. El curado es el proceso de polimerización de la matriz para formar los enlaces permanentes entre la matriz y las fibras en una lámina y a su vez entre las propias láminas. Para esta reacción, en principio sólo es necesario un aporte de temperatura, aunque las láminas no se compactan bien y la pieza final presentará defectos. Para ayudar a la compactación y mantener la forma de la pieza durante el curado, se aplica presión y vacío durante el curado [2]. Estas dos fases de fabricación de piezas de material compuesto hacen que se tengan que seguir varias etapas. Con el fin de agrupar dichas fases y automatizar el proceso, surge la tecnología aditiva, en la que la configuración del laminado y el curado se van haciendo simultáneamente. El funcionamiento del sistema de fabricación aditiva consiste en la inyección de un filamento de material compuesto por una impresora 3D, a elevada temperatura, sobre una superficie plana. Al mismo tiempo que el material se va depositando sobre la superficie, se va enfriando y solidificando, obteniendo geometrías 3D sin el uso de complejos moldes. 3

28 4 Introducción 1.1 Objetivo del Proyecto El objetivo de este Proyecto Fin de Carrera es la puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva de materiales compuestos, así como la caracterización del material que usa. Dicho sistema se trata de una impresora 3D que permite el uso de dos tipos de materiales: filamento termoplástico (nailon) y filamento de compuesto (fibra de vidrio, fibra de carbono y Kevlar). La peculiaridad y novedad de esta impresora es la fabricación con refuerzos de fibra, lo que permite obtener piezas con mejores propiedades de rigidez y resistencia que las habituales obtenidas con impresoras para material plástico. 1.2 Estructura del documento El proyecto está estructurado en 7 capítulos. En el capítulo 2 se presenta el estado del arte del proceso de fabricación aditiva, mostrando sus características, ventajas y limitaciones, tecnologías y sectores de aplicación. En el capítulo 3 se detalla la puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos, mostrándose las características de la misma, sus componentes, funcionamiento y el software de diseño para la configuración de las propiedades del material de las piezas que se fabriquen. En el capítulo 4 se presentan los ensayos mecánicos, físicos y microscópicos realizados para la caracterización del material, analizando y comparando los resultados obtenidos. En el capítulo 5 se muestran distintas aplicaciones de piezas fabricadas con la impresora 3D en estudio. En el capítulo 6 se detallan aspectos a destacar e incidencias que se han observado durante el funcionamiento de la impresora. Por último, en el capítulo 7, se presentan las conclusiones y desarrollos futuros.

29 Capítulo 2 2. FABRICACIÓN ADITIVA

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31 En este capítulo se presenta el estado del arte de la fabricación aditiva, sus ventajas y limitaciones, las diferentes tecnologías y los sectores de aplicación. 2.1 Reseña Histórica La Fabricación Aditiva (ALM, del inglés Additive Layer Manufacturing) constituye un nuevo concepto de fabricación en el que el material es depositado de manera controlada, capa a capa, exclusivamente allí donde es necesario, para conseguir la geometría inicialmente definida en un modelo tridimensional [1]. La tecnología ALM surge a finales del siglo XX sacando el máximo partido de los conocimientos que se tenían sobre los procesos de fabricación de piezas, superando grandes limitaciones físicas tales como las colisiones con las geometrías complejas, la imposibilidad de hacer taladros curvos o la gran dificultad para mecanizar formas complejas en el interior de algunos sólidos [1]. Mientras que los procesos tradicionales de fabricación utilizan moldes, preformas y utillajes (fundición, plegado, inyección, sinterizado) o arranque de viruta (mecanizado, abrasión, troquelado, aserrado, electroerosión), la tecnología ALM consiste en fabricar añadiendo material capa a capa según un diseño virtual en tres dimensiones sin recurrir a moldes y sin quitar material. Los procesos de fabricación aditiva surgen primeramente con el nombre de Prototipado Rápido (Rapid Prototyping, RP) ya que en un primer momento se concibieron estas tecnologías con el fin último de la realización de prototipos [3]. En 1987 se da a conocer el primer proceso de ALM, la estereolitografía (SLA), el cual se realiza gracias a la solidificación de capas de resina fotosensible por la mediación de un láser. A partir de 1991 aparecen nuevas tecnologías de ALM: la deposición de hilo fundido, FDM (Fused Deposition Modeling) en la que se realiza la extrusión de un filamento que se funde en un cabezal de fusión; el curado sólido, SGC (Solid Ground Curing), que trabaja con resina fotosensible pero solidifica cada capa en una sola operación gracias a una máscara de tinta electrostática en un vidrio; y la fabricación de objetos laminados, LOM (Laminated Object Manufacturing), la cual trabaja cortando hojas de papel con un láser. Las múltiples aplicaciones de la fabricación aditiva en la industria y su rápida evolución tecnológica las han convertido en una alternativa a tener en cuenta para afrontar con éxito retos actuales como pueden ser la reducción de peso en el desarrollo de nuevas piezas y componentes y la reducción de costes de fabricación. 2.2 Fases del proceso Una característica común a las diferentes técnicas de fabricación aditiva es la de requerir un mínimo número de fases en el proceso de fabricación, desde el desarrollo de la idea por parte del diseñador hasta la obtención del producto acabado. A continuación se detallan dichas fases del proceso de fabricación aditiva [4]: 1. Desarrollo conceptual de la idea. 2. Diseño del modelo en una aplicación CAD 3D. 3. Generación de un fichero.stl para que el equipo de fabricación aditiva pueda interpretar la información geométrica modelada en CAD. 4. Generación del código de CN (control numérico) por parte del equipo de fabricación aditiva. 5. Fabricación de la pieza. 6. Limpieza: eliminación del material de soporte (en el caso en el que la pieza tenga zonas en voladizo y requiriese soportes). 7

32 8 Fabricación aditiva 7. Postprocesado: mejora del acabado de la pieza, hay tecnologías que no lo requieren. 2.3 Ventajas Para el sector aeronáutico, en el que se realizan numerosas pruebas y ensayos funcionales, en el que los componentes y útiles son muchas veces únicos, y en el que la velocidad de respuesta y el coste son fundamentales, las ventajas de la fabricación aditiva están aseguradas. A continuación se detallan las ventajas de ALM respecto a los métodos tradicionales de fabricación. Asociadas al coste La tecnología ALM conlleva una importante reducción de los costes de producción debido a las siguientes características [5]: - Se eliminan prácticamente los desperdicios, ya que se aporta exclusivamente el material necesario, y las piezas con defectos pueden ser recicladas completamente. - Se puede optimizar el material empleado mediante modificaciones en el diseño, lo que permite conseguir piezas más resistentes y ligeras. - Se pueden producir conjuntos de piezas, reduciendo el número de operaciones de ensamblaje finales y aumentando la fiabilidad del producto resultante. - Se pueden sustituir materiales por otros nuevos que igualan o mejoran las prestaciones de los empleados anteriormente. - En la Figura 2-1 se muestra el impacto económico de la fabricación aditiva en la producción de bienes, observándose la reducción de costes asociada. Figura 2-1. Impacto económico de ALM: reducción de costes [5] Asociadas a los procesos de ejecución Desde el punto de vista de la producción de componentes industriales, hay que destacar como ventajas [1], [6]: - Reducción del time to market de nuevos diseños (tiempo que tarda un producto desde que es concebido hasta que está a la venta). Muchas de las fases actuales de lanzamiento y validación pueden ser reducidas drásticamente, además de aportar una gran flexibilidad ante los continuos cambios de la demanda del mercado. - Reducción de costes de inversión en utillaje. Los productos ya no están ligados a utillajes como en la fabricación convencional si no que prescinden de ellos, lo que supone un gran ahorro además de una mayor flexibilidad y capacidad de adaptación al mercado.

33 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 9 - Series cortas de producción. Al prescindir de utillaje, la tecnología aditiva permite reducir los lotes de fabricación, llegando incluso a la serie unitaria, sin apenas costes extra de fabricación. - Reducción de errores de montaje y sus costes asociados. Se pueden obtener componentes ensamblados con la única operación posterior de inspección de control de calidad. - Procesos híbridos. es posible combinar distintos procesos de fabricación. En este caso, combinar procesos de fabricación aditiva con procesos convencionales puede ser interesante para aprovechar las ventajas de ambos. Por ejemplo, puede resultar muy conveniente combinar la tecnología de fabricación aditiva con el mecanizado por arranque de material para mejorar la calidad superficial mediante la reducción del efecto escalera que producen las tecnologías de fabricación aditiva. - Productos multimaterial. ALM permite producir piezas aportando simultáneamente varios materiales. - Fabricación más sostenible. No se utilizan directamente grandes cantidades de productos químicos tóxicos. 2.4 Limitaciones A pesar de los evidentes avances que las tecnologías aditivas pueden aportar a la industria, existen limitaciones que deben ser tenidas en cuenta de cara a la elección de la tecnología más adecuada a las necesidades y los requerimientos del producto a fabricar. A continuación se detallan dichas limitaciones, que constituyen retos para la investigación, el desarrollo tecnológico y la innovación [1], [6]. - Acabado superficial de las piezas y velocidad de fabricación: el aumento de la velocidad de fabricación condiciona la calidad del acabado superficial. Para mejorar este inconveniente se debe disminuir el espesor de la capa. - Repetitividad del producto: es difícil asegurar la precisión dimensional entre una pieza y la siguiente, por lo que no está garantizado que todos los elementos de la misma serie vayan a tener las mismas formas o dimensiones. - La fabricación en capas produce lo que se conoce con el nombre de efecto escalera. - Tamaño de las piezas: existen tanto límites superiores como inferiores, aunque normalmente el más restrictivo es el superior. - Propiedades anisótropas: dependiendo de la dirección en que se construye capa a capa, las propiedades físicas de la pieza pueden variar. - Las tolerancias obtenidas en la mayor parte de los métodos de fabricación aditiva son mayores que en otros métodos de fabricación, como los basados en arranque de material. A pesar de dichas limitaciones, las expectativas y posibilidades de la tecnología ALM son tan atractivas que se están dedicando muchos esfuerzos económicos y humanos a superar estas barreras para incrementar el nivel de madurez de la tecnología y, por tanto, permitir su implementación en diversos mercados. En la Figura 2-2 se muestra una comparación entre 17 características de piezas fabricadas mediante métodos convencionales y mediante tecnología aditiva [1].

34 10 Fabricación aditiva Figura 2-2. Comparación características fabricación tradicional y aditiva [1] 2.5 Tecnologías de fabricación aditiva En la Tabla 2-1 se muestran las principales tecnologías de fabricación aditiva en función del tipo de proceso de transformación [4], [7]. Proceso Tecnologías Materiales Extrusión Modelado por Deposición Fundida (FDM) Termoplásticos (por ejemplo PLA, ABS), HDPE, metales eutécticos, materiales compuestos, materiales comestibles Hilado Fabricación por Haz de Electrones (EBF) Casi cualquier aleación Granulado Sinterizado Directo de Metal por Láser (DMLS) Fusión por Haz de Electrones (EBM) Sinterizado Selectivo por Calor (SHS) Sinterizado Selectivo por Láser (SLS) Proyección Aglutinante (DSPC) Casi cualquier aleación Aleaciones de Titanio Polvo termoplástico Termoplásticos, polvos metálicos, polvos cerámicos Yeso Laminado Laminado de Capas (LOM) Papel, papel de aluminio, capa de plástico Fotoquímicos Estereolitografía (SLA) Fotopolimerización por Luz Ultravioleta(SGC) Fotopolímero Fotopolímero Tabla 2-1. Tecnologías de Fabricación Aditiva

35 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 11 A continuación se describen las principales tecnologías mencionadas en la Tabla 2-1 [4], [6]: FDM Este proceso, comercializado por primera vez por Stratasys en 1991, está basado en hacer pasar un hilo de material de aporte (termoplásticos) por una boquilla caliente. El material se funde y se extruye a través de dicha boquilla, de modo que cede parte de su calor al material de la capa anterior sobre la que se apoya, y al que por lo tanto se adhiere, y se solidifica formando el aporte de la nueva capa. La boquilla debe ir recorriendo en trayectorias toda el área que en cada capa corresponde a material sólido. Hay máquinas que disponen de varias boquillas y varios cargadores de carretes de hilo, con lo que pueden fabricar piezas de varios materiales. Esta tecnología necesita soportes en zonas en voladizo, que se realizan del mismo material y por tanto son tan resistentes como la propia pieza, que a posteriori deben ser eliminados. La tecnología FDM está protegida por patente (Stratasys), por lo que también es conocida como fabricación por filamento fundido (FFF), para evitar problemas legales. Ésta es la tecnología que utiliza la impresora 3D para materiales compuestos en estudio, descrita en el Capítulo 2. SLS Nació en los años 80, y pese a tener ciertas similitudes con la tecnología SLA, ésta permite utilizar un gran número de materiales en polvo (cerámica, cristal, nailon, poliestireno, etc.). El láser impacta en el polvo, funde el material y se solidifica. Todo el material que no se utiliza se almacena en el mismo lugar donde inició la impresión por lo que, no se desperdicia nada SLA Esta técnica de fabricación consiste en solidificar resinas en estado líquido y sensibles a la luz ultravioleta mediante un láser, capa a capa. El láser dibuja la parte que en cada capa corresponde a sólido, sobre la superficie del material líquido contenido en una cuba, de modo que el material no afectado por la luz permanece líquido y el expuesto a la radiación se agrega y solidifica DMLS La máquina DMLS utiliza un láser óptico de unos 200 vatios de potencia que enfoca un haz sobre los polvos metálicos, típicamente con base de bronce o de acero, fundiéndolo y construyendo así la pieza final capa a capa. LOM En vez de recurrir como era habitual a los polvos metálicos o plásticos, la tecnología LOM usa láminas de papel cuya parte inferior presenta una capa de un componente adhesivo que cuando es presionada y se le aplica calor se pega con la lámina anterior. En el proceso interviene un rodillo, encargado de aplicar la presión y el calor necesarios, y un láser, que recorta la forma requerida. EBM La tecnología EBM funde polvo metálico en vacío por la acción de un haz de electrones. El proceso fabrica añadiendo el material por capas, es decir, el polvo metálico es repartido en una fina capa sobre el área de trabajo. El haz de electrones funde el polvo metálico selectivamente siguiendo exactamente el patrón de la sección geométrica de la pieza para cada capa. En cada capa del proceso de fabricación, el haz de electrones realiza un precalentamiento del área de trabajo para elevar la temperatura (específica para cada aleación) antes de fundir el polvo. Como resultado, las piezas obtenidas por EBM no tienen tensiones residuales ni sufren distorsión al enfriarse.

36 12 Fabricación aditiva En la Tabla 2-2 se muestran las ventajas y desventajas de las tecnologías aditivas [8]. Tecnología Ventajas Desventajas SLA FDM EBM SLS SHS DMLS Geometrías complejas Piezas con detalles Acabado suave Piezas resistentes Geometrías complejas Velocidad Poca distorsión de piezas Poco desperdicio de material No requiere estructuras de soporte Elevada resistencia química y al calor Velocidad alta Coste menor que SLS Geometrías complejas No requiere de estructuras soporte Componentes densos Geometrías complejas Requiere post-curado Requiere estructuras soporte Acabado superficial más pobre Construcción más lenta que SLA Necesita post-proceso Dificultad para limpiar la maquina Precaución al trabajar con rayos-x Precisión limitada por el tamaño de partícula del polvo Acabado superficial rugoso Tecnología nueva con experiencia limitada Necesita acabado Sólo para piezas pequeñas Tabla 2-2. Ventajas y desventajas de las tecnologías aditivas 2.6 Sectores de Aplicación Existen numerosos sectores donde se ha experimentado y se está empezando a examinar las ventajas que aportan las tecnologías aditivas frente a las convencionales. En la Figura 2-3 se muestra la incidencia de la fabricación aditiva por sectores. Figura 2-3. Incidencia de la fabricación aditiva por sectores [4]

37 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 13 A continuación se detallan las aplicaciones de la fabricación aditiva en cada sector [6]. Productos de consumo Este sector utiliza la fabricación aditiva para obtener prototipos y modelos de multitud de artículos para el hogar, equipos deportivos, juguetes, etc. Es el principal demandante de tecnologías de fabricación aditiva que permitan la fabricación digital directa de componentes finales con una alta complejidad geométrica y con necesidades de personalización. Sector de la automoción En el sector de la automoción se pueden encontrar revolucionarios ejemplos de automóviles fabricados recientemente con la tecnología de impresión 3D. Strati de Local Motors, ha sido el primer vehículo impreso en 3D y con total funcionalidad. Fabricado a partir de plástico en poco más de 46 horas y con un motor eléctrico con una autonomía de unos 200 kilómetros, su lanzamiento en octubre de 2014 ha supuesto todo un hito para la industria de la automoción [9] (Figura 2-4). Figura 2-4. Vehículo fabricado mediante ALM Ford, por ejemplo, dispone de 5 centros de prototipado que imprimen en torno a piezas al año, reduciendo así el coste y plazo de desarrollo. Calculan que mientras que con el método tradicional el prototipo de una pieza diseñado por un ingeniero tardaría 4 meses y en realizarse, con la impresión 3D podría realizarse en cuatro días por Sector médico Este sector necesita piezas únicas de gran complejidad geométrica que puedan adaptarse al cuerpo humano. Los productos más solicitados son los biomodelos (reproducción de partes del cuerpo), implantes artificiales personalizados, que pueden ser de oído, dentales (coronas y puentes), utillajes y herramientas de ayuda y scaffolds (estructuras porosas que permiten el crecimiento de tejidos artificiales). En la Figura 2-5 se muestra una cubierta para prótesis de miembros superiores, realizada por impresión 3D en poliamida (nailon), por la firma Sevillana UNYQ [10]. Figura 2-5. Cubierta para prótesis de miembros superiores

38 14 Fabricación aditiva Sector aerespacial Reducir los costes ambientales en la fabricación de las piezas de los motores de aviación, incrementar la libertad de su diseño y disminuir el consumo de combustibles y las emisiones de gases contaminantes son algunos de los beneficios derivados de la aplicación de las modernas técnicas de fabricación aditiva en la industria aeronáutica. Los métodos tradicionales que se emplean en la fabricación de piezas para los motores aeronáuticos implican el uso de técnicas de sustracción de material, que generan chatarra en cuantías muy significativas y directamente proporcionales a la complejidad de la geometría elaborada. Por ello, el objetivo de los investigadores es demostrar que técnicas de fabricación aditiva como la fusión selectiva por láser (SLM) y la deposición de metal mediante láser (LMD) pueden ser aplicadas a la fabricación de partes de motor y contribuir así a reducir el impacto medioambiental del transporte aéreo. En la Figura 2-6 se muestra un compresor fabricado mediante la tecnología aditiva DMLS Figura 2-6. Compresor fabricado mediante DMLS Arquitectura La fabricación de maquetas y prototipos en el ámbito de la arquitectura y la construcción ha tenido, y tiene todavía, una componente artesanal muy importante. El desarrollo de los sistemas de diseño asistido, con su consiguiente evolución hacia los sistemas de modelado sólido y los actuales sistemas BIM en edificación, ha permitido obtener maquetas digitales, infografías y animaciones virtuales de los proyectos con una calidad muy atractiva. Sin embargo, todavía no se puede decir lo mismo respecto de las maquetas físicas, obtenidas a partir de ese modelo digital del proyecto a través de máquinas de construcción aditiva de maquetas y prototipos. La impresión 3D puede convertirse en el complemento imprescindible de estudios de arquitectos y diseñadores.

39 Capítulo 3 3. PUESTA A PUNTO DE LA IMPRESORA 3D PARA MATERIALES COMPUESTOS

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41 En este capítulo se presentan las características de la impresora 3D para materiales compuestos, Mark One, así como su puesta a punto, desde su instalación y puesta en marcha hasta el software de diseño para la configuración de las piezas a fabricar [11]. 3.1 Características generales de la impresora Mark One es una impresora 3D de la empresa americana MarkForged, cuya principal característica es que permite el uso de material compuesto de fibra de carbono, fibra de vidrio y Kevlar. Posee un cabezal doble, uno para el nailon y otro para el compuesto, que se mueven en el plano XY (plano de la cama de impresión). Para dar espesor a las piezas, la cama de impresión desciende a lo largo del eje Z, perpendicular a la misma. El sistema de ejes se muestra en la Figura 3-1. Y X Z Figura 3-1. Sistema de referencia durante la fabricación Además, las propiedades del material (matriz termoplástica) hacen que éste solidifique inmediatamente después de ser depositado, no necesitando el proceso de curado en autoclave. Sus principales características se muestran en la Tabla 3-1: 17

42 18 Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos Tecnología de impresión Fabricación filamento fundido (FFF) Fabricación filamento compuesto (CFF) Nº Extrusores 2 Materiales de impresión Tamaño de la máquina Tamaño máximo de impresión (x,y,z) nailon Fibras de refuerzo: Fibra de carbono, fibra de vidrio y Kevlar 575mm x 322mm x 360mm 320mm x 132mm x 160mm Resolución en eje Z 100 µm Resolución inyector de fibra 200 µm Precisión de posicionamiento Cama de impresión Potencia requerida Formato de los archivos de diseño Software de impresión Compatibilidad del software 6,25 µm en X e Y Acoplamientos magnéticos V, Hz.stl y.obj Markforged software: Eiger Windows, Mac y LInux Navegador compatible Chrome 30+ Conectividad Wi-Fi, Ethernet o USB Tabla 3-1. Características de la impresora 3D Mark One La impresora posee un diseño compacto, como se observa en la Figura mm 322 mm 575 mm Figura 3-2. Vista exterior de la impresora

43 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 19 El exterior es de metal gris, con una solapa de material plástico transparente que cubre la parte frontal y lateral, pudiendo levantarse para poder observar las impresiones y manipular los componentes de la impresora. En la parte superior posee una tapa de metal que también puede abrirse (Figura 3-3). Figura 3-3. Vista frontal de la impresora 3.2 Componentes de la impresora En este aparatado se detallan los distintos componentes que forman parte de la impresora, así como la función de cada uno. Junto con la impresora se proporciona una caja negra denominada Caja seca de pelicano (Figura 3-4). En dicha caja se almacena el nailon manteniéndose la humedad adecuada para no dañar las propiedades del material. Figura 3-4. Vista general de la impresora junto a la caja seca de pelícano Vista trasera En la esquina inferior izquierda de la parte trasera de la impresora se encuentra el botón de encendido/apagado, la conexión de la impresora a la red eléctrica junto con diversos puertos USB, Ethernet y la antena Wi-Fi, como se observa en la Figura 3-5.

44 20 Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos Figura 3-5. Parte trasera de la impresora Vista frontal En la Figura 3-6 se detallan las distintas partes que posee la impresora en su vista frontal Figura 3-6. Componentes de la impresora (vista frontal) Cabezal de impresión 1 Está formado por dos inyectores, uno para el filamento de compuesto y otro para el de nailon. El inyector de nailon es el que presenta una boquilla más fina y está situado en la parte hacia dentro de la impresora; el inyector de compuesto posee una boquilla más gruesa y está situado hacia la parte frontal de la impresora, como se muestra en la Figura 3-7.

45 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 21 Inyector de nailon Inyector de compuesto Figura 3-7. Inyectores de los filamentos de compuesto y de nailon Los filamentos de nailon y de compuesto llegan por separado a cada inyector a través de sendos tubos de alimentación (Figura 3-8). Tubo de alimentación del filamento de nailon Tubo de alimentación del filamento de compuesto Figura 3-8. Tubos de alimentación de los filamentos Debido a la alta temperatura de extrusión que se alcanza en el cabezal (hasta 260 C), éste posee un ventilador en su parte frontal para refrigerar el motor. Además, posee otro ventilador dirigido hacia la cama de impresión cuya misión es ir enfriando el material a medida que se va depositando (Figura 3-9).

46 22 Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos Figura 3-9. Sistema de refrigeración del cabezal de impresión Portacarretes para el filamento de compuesto La impresora posee dos portacarretes, uno a cada lado, donde se colocan los rollos de compuesto (Figura 3-10, izquierda), quedando fijados a través de una tapa imantada (Figura 3-10, derecha) 2 Figura Portacarretes del filamento de compuesto Durante la impresión sólo es posible el uso de un tipo de filamento compuesto, por lo que sólo uno de los rollos es utilizado (el de la izquierda). El portacarretes de la derecha solo sirve como almacenamiento de material. El fino tubo que cuelga en la esquina superior izquierda, junto al rollo de compuesto utilizable, es por donde se introduce el filamento de compuesto para ser conducido hasta el cabezal de impresión (Figura 3-11).

47 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 23 Figura Tubo de alimentación del filamento de compuesto Limpiador de la boquilla de nailon 3 Elemento situado en la esquina superior izquierda de la impresora, formado por material de goma roja, como se observa en la Figura Figura Limpiador de la boquilla de nailon Tras finalizar cada capa, el cabezal de impresión se desplaza hasta dicho limpiador realizando varias pasadas, eliminando los posibles restos de material que pudieran quedar adheridos a la boquilla de nailon. De esta forma se garantiza una mejor deposición del material y se evita la acumulación de material a la salida del inyector y en la propia pieza que se está fabricando Cama de impresión 4 Es una base de metal de dimensiones 320mm x 132mm x 160mm sobre la que se deposita el material durante la fabricación. Dicha cama se apoya sobre una plataforma con forma triangular a través de tres esferas imantadas que posee por detrás, como se observa en la Figura Además, está unida a un husillo que permite su movimiento en dirección vertical para ir ajustando su altura a medida que se va realizando una pieza.

48 24 Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos Figura Cama de impresión El tamaño máximo de las piezas a fabricar está condicionado por el tamaño de la cama y la altura del husillo, siendo las dimensiones máximas de impresión 320mm x 132mm x 160mm Pantalla táctil 5 Pantalla táctil donde se seleccionan las distintas opciones que se deseen realizar en la impresora. Además, muestra información como la temperatura de los inyectores y el tiempo de fabricación de las piezas Vista en planta La impresora posee un sistema de correas que permite el movimiento del cabezal de impresión en el plano XY, siendo la cama de impresión la que se mueve en el plano Z, variando su posición a medida que va aumentando el espesor de la pieza (Figura 3-14). Figura Vista en planta de la impresora En el lateral izquierdo superior se encuentra el conjunto de extrusoras que empujan los filamentos, conduciéndolos a través de tubos de alimentación hasta llegar a los inyectores, donde son extruidos a alta temperatura. Hay una extrusora para el filamento de nailon y otra para el filamento de compuesto, como se muestra en la Figura Además, en el interior de la extrusora de compuesto existe un cortador que actúa tras la finalización de cada capa, debido a la característica de deposición continua del filamento por capas.

49 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 25 Extrusora del filamento de compuesto Extrusora del filamento de nailon Figura Extrusoras del filamento de compuesto y del filamento de nailon 3.3 Materiales Los materiales compatibles con la impresora Mark One son los que proporciona la empresa MarkForged: nailon, compuesto de fibra de vidrio, compuesto de fibra de carbono y compuesto de fibra de Kevlar, todos ellos en forma de filamento enrollados en carretes (Figura 3-16). En el desarrollo de este Proyecto fin de carrera se han utilizado todos los materiales excepto filamento compuesto de fibra de Kevlar. Figura Carretes de material (nailon y compuesto de fibra de vidrio) El filamento de nailon está formado únicamente por nailon, cuyas propiedades termoplásticas hacen que pueda ser extruido a elevada temperatura (260 C) y solidifique rápidamente por la diferencia de temperaturas cuando es depositado. El filamento de compuesto está formado por matriz termoplástica (nailon) y por fibra (Figura 3-17), que es extruido a una temperatura de 260 C al llegar al inyector. Una vez que el material es depositado en la cama de impresión, se solidifica al instante. Figura Filamentos de compuesto de fibra de carbono y de fibra de vidrio

50 26 Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos 3.4 Accesorios Junto con la impresora se proporcionan los accesorios necesarios para su puesta a punto, funcionamiento y mantenimiento (Figura 3-18) Figura Pack de accesorios de la impresora A continuación se detalla cada uno de los accesorios y su función Calzadores de nivelación Para la nivelación de la cama de impresión y de la altura de los inyectores del filamento de nailon y del filamento de compuesto se utilizan dos calzadores, consistentes en dos tiras de material plástico de distinto espesor y color, como se observa en la Figura Calzador amarillo de 0.1 mm de espesor para el inyector del filamento de nailon - Calzador azul de 0.13 mm de espesor para el inyector del filamento de compuesto Portacarretes de nailon Figura Calzadores de nivelación Para la colocación del carrete del filamento de nailon en el interior de la caja de pelicano se proporciona un portacarretes cilíndrico de nailon, que posee una tapa lateral imantada para poder colocar el rollo de material (Figura 3-20).

51 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 27 Figura Portacarretes del rollo de Nailon Pegamento de barra Barra de pegamento de color morado soluble en agua (Figura 3-21), que actúa como lubricante para que el material depositado sobre la cama de impresión no se adhiera a la misma, facilitando la extracción de las piezas fabricadas. Se aplica en la zona donde se va a realizar la pieza y se elimina fácilmente con agua. Es muy importante aplicarlo antes de cada impresión, ya que de lo contrario se puede dañar la superficie de la cama al extraer las piezas. Al aplicarlo, la superficie se ve de color morado, siendo recomendable esperar a que desaparezca dicho color para iniciar la impresión Espátula Figura Pegamento de barra-lubricante entre las piezas y la cama de impresión Se utiliza para extraer de la cama de impresión las piezas fabricadas (Figura 3-22). Figura Espátula para la extracción de las piezas

52 28 Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos Pinzas Pinzas metálicas de precisión para eliminar el exceso de material en las boquillas de los inyectores y quitar material de las piezas como son los soportes (Figura 3-23) Inyectores Figura Pinzas Con el uso de la impresora los inyectores de compuesto y de nailon se van dañando debido al efecto abrasivo del material extruido a elevada temperatura, provocando que se queden adheridos restos de dicho material en los mismos. En la Figura 3-24 se muestran las boquillas de fábrica y tras varias impresiones, observándose el deterioro provocado. Figura Inyectores nuevos y dañados Por ello, se proporcionan dos juegos de inyectores (inyector de compuesto + inyector de nailon) adicionales a los que trae instalados la impresora de fábrica (Figura 3-25), que deben ser reemplazados cuando se observe que las boquillas están muy dañadas, que la calidad de la impresión no es buena o la deposición de material no se realiza de forma adecuada. Figura Inyectores de repuesto Tubo de conexión de la caja de pelicano con la impresora La caja de pelicano se conecta con la impresora a través de un tubo por donde es conducido el filamento de nailon hasta los tubos de la impresora (Figura 3-26).

53 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 29 Figura Tubo de conexión de la caja seca de pelícano con la impresora Tubos Bowden de conexión con el inyector de compuesto Son unos cortos tubos de plástico del diámetro del filamento de compuesto, que se instalan entre el tubo Bowden de alimentación del filamento de compuesto y el inyector de compuesto (Figura 3-27). Figura Tubos de inserción en el inyector de compuesto Dicho tubo se debe reemplazar cuando se produce la obstrucción del mismo debido a la acumulación de material, como se observa en la Figura Escariador Figura Obstrucción de material en el tubo de inserción del inyector Se proporciona un escariador para eliminar la obstrucción de material en el inyector de compuesto o en el tubo que une el inyector con el tubo de alimentación (Figura 3-29). Figura Escariador

54 30 Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos Lubricante para la instalación de los inyectores Se aplica en la parte roscada de los inyectores cuando se instalan en el cabezal de impresión, actuando como lubricante para permitir una mejor maniobrabilidad cuando se instalan o se extraen (Figura 3-30) Tapón para sellar la caja de pelicano Figura Lubricante para la instalación de los inyectores Cuando no se vaya a utilizar el filamento de nailon durante un periodo largo de tiempo, se debe sellar por completo la caja seca de pelicano para mantener las condiciones ambientales adecuadas para el nailon. Por ello, se debe tapar el orificio lateral por donde es conducido el filamento de nailon a los tubos de la impresora. Para ello se proporciona una pieza roja de material plástico duro a modo de tapón (Figura 3-31, izquierda), que se inserta en dicho orificio y la caja queda totalmente sellada, como se observa en la Figura 3-31 derecha Herramientas Figura Tapón para sellar la caja de pelícano Conjunto de destornilladores y llave Allen compatibles con los distintos tornillos que posee la impresora (Figura 3-32). Figura Destornilladores y llave Allen

55 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos Cable de extensión USB Para mayor comodidad de los usuarios, se incluye un cable de extensión del puerto USB (Figura 3-33) para no tener que introducir las memorias USB en la parte trasera de la impresora Cable USB A-B Figura Extensión del puesto USB Cable para conectar la impresora a un ordenador (Figura 3-34) Dispositivo USB MarkForged Figura Cable USB A-B MarkForged proporciona un USB con el software necesario para formatear la impresora (Figura 3-35). No se debe utilizar dicho dispositivo para otro fin. Figura Dispositivo USB MarkForged

56 32 Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos 3.5 Preparación y configuración de la impresora antes de su puesta en marcha En los siguientes apartados se detallan los pasos que hay que seguir para la puesta en marcha de la impresora Conexión de la caja de pelícano con la impresora Para conectar la caja seca de pelícano con la impresora hay que introducir el tubo transparente, proporcionado en los accesorios, en el orificio lateral que posee la caja e insertar el otro extremo del tubo en el orificio de la parte superior trasera de la impresora, como se muestra en la Figura Figura Conexión de la caja seca de pelícano con la impresora Instalación del filamento de nailon Una vez que se ha instalado el tubo de alimentación de filamento de nailon en la impresora se procede a cargar el nailon. Este proceso debe hacerse siempre que se vaya a instalar un nuevo carrete de nailon. Para ello, se deben seguir los siguientes pasos: 1. Introducir la bolsa desecante en una esquina de la caja de pelicano para evitar que el nailon absorba humedad, lo que afectaría a la calidad de la impresión (Figura 3-37) Figura Bolsa desecante 2. Colocar el carrete de nailon en el portacarretes cilíndrico, fijar con la tapa de retención magnética, como se muestra en la Figura 3-38, e introducirlo en la caja de pelicano.

57 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 33 Figura Colocación del rollo de nailon en el portacarretes 3. Introducir el filamento de nailon por el orificio lateral de la caja y empujarlo para conducirlo por el tubo de alimentación de filamento instalado, hasta que llega a la extrusora de plástico (Figura 3-39). Tener cuidado para que no se desenrolle el filamento de nailon del carrete. Figura Conducción del filamento de nailon de la caja de pelicano a la impresora 4. Una vez que el filamento de nailon está en el interior del tubo de alimentación, cerrar la caja de pelicano. Este paso es muy importante para mantener la temperatura y humedad adecuadas del nailon, ya que dichas propiedades afectan notablemente a la calidad de la fabricación de las piezas. 5. En la pantalla táctil de la impresora, pulsar en el icono Settings en la esquina superior derecha y seleccionar Load/Unload Material; a continuación seleccionar Load Nailon. 6. El cabezal de impresión comenzará a calentarse. Una vez que la impresora ha alcanzado la temperatura adecuada, pulsar el icono Next. Cuando la extrusora de nailon comience a moverse, empujar el filamento de nailon e introducirlo en dicha extrusora (Figura 3-40). Figura Introducción del filamento de nailon en la extrusora

58 34 Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos 7. La extrusora agarrará el filamento y empezará a empujarlo para guiarlo a través de un tubo hasta llegar al inyector de nailon en el cabezal de impresión, donde es extruido. El tiempo en recorrer dicho tubo es de aproximadamente un minuto. 8. Cuando el material haya salido por el inyector de nailon (Figura 3-41, izquierda), pulsar Stop en la pantalla táctil de la impresora. A continuación quitar el material extruido con las pinzas (Figura 3-41, derecha). Tener mucho cuidado, ya que el cabezal estará caliente. Figura Material extruido tras cargar el filamento de nailon 9. Para finalizar el proceso de cargar el filamento de nailon pulsar Done en la pantalla táctil de la impresora Re-instalación del carrete de nailon Para instalar y cargar un nuevo carrete de nailon cuando se haya agotado uno anteriormente, será necesario quitar el filamento de nailon que permanece en el tubo entre el motor de extrusión y el cabezal de impresión. Para ello se deben seguir los siguientes pasos: 1. En la pantalla táctil de la impresora pulsar Settings y ejecutar la rutina Load Nailon. 2. Hay que asegurarse que no hay material en el tubo de alimentación. Para ello, quitar el tornillo a la salida de la extrusora de nailon (Figura 3-42). Figura Tubo conectado a la extrusora de nailon 3. Extraer el fragmento de nailon que queda en el tubo, como se observa en la Figura Tener cuidado, ya que el filamento estará caliente.

59 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 35 Figura Eliminación del filamento de nailon del tubo 4. Insertar de nuevo el tubo de alimentación en la extrusora de nailon (Figura 3-44). Ya está todo listo para volver a cargar el filamento de nailon siguiendo los pasos del Apartado Figura Fijación del tubo a la extrusora de nailon Instalación del filamento de compuesto Cada vez que se instale un nuevo carrete de filamento de compuesto hay que seguir los siguientes pasos: 1. Agarrar el extremo libre del filamento de compuesto con una mano y tener especial cuidado para que no se desenrolle del carrete. Introducir el extremo del filamento por el tubo situado en la esquina izquierda de la impresora, como se muestra en la Figura Tener especial cuidado de no doblar el filamento, ya que puede romperse fácilmente. Figura Inserción del filamento de compuesto en el tubo

60 36 Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos 2. Colocar el carrete en el portacarretes y asegurarse de que el carrete se desenrolla en el sentido de las agujas del reloj (Figura 3-46). Figura Sentido de desenrollarse el carrete de filamento de compuesto 3. En la pantalla táctil de la impresora pulsar sobre el icono Settings y seleccionar Load/Unload; a continuación seleccionar Load Fiber. 4. La extrusora de compuesto comenzará a funcionar para cargar el filamento. Empujar con la mano el filamento de compuesto que se ha introducido en el tubo hasta que entre en la parte trasera de la extrusora de compuesto (Figura 3-47). Tener cuidado de no empujar el filamento con demasiada fuerza, ya que se puede romper. Escalón a la entrada de la extrusora de compuesto Figura Introducción del filamento de compuesto en la extrusora Como se observa en la Figura 3-47, en la unión del tubo de filamento con la extrusora hay un pequeño escalón que impide el avance del filamento hacia la extrusora. Para evitar dicho escalón se debe levantar levemente el tubo de alimentación en la unión, como se muestra en la Figura 3-48.

61 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 37 Figura Ayuda para la introducción del filamento de compuesto en la extrusora 5. Una vez que el filamento entra en la extrusora, pulsar Next en la pantalla táctil. El filamento de compuesto comenzará a recorrer el tubo hasta llegar al cabezal de impresión. Esperar hasta que el filamento haya salido por el inyector de compuesto, como se muestra en la Figura 3-49 y a continuación pulsar Cut. No pulsar dicho botón antes, ya que se producirá atasco de material en el inyector. Figura Expulsión del filamento de compuesto una vez cargado 6. Tirar del filamento de compuesto para eliminarlo de los tubos de la impresora (Figura 3-50). A continuación, pulsar Done en la pantalla de la impresora. El filamento de compuesto ya está cargado y listo para ser usado.

62 38 Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos Figura Eliminación del filamento de compuesto tras ser cargado Instalación del firmware en la impresora MarkForged proporciona el firmware con los parámetros necesarios para el correcto funcionamiento de la impresora. Dicho firmware no se puede modificar, sólo MarkForged tiene derecho a su modificación y actualización. Para descargarlo, hay que ir a la web del software de diseño de la impresora, Eiger ( pulsar en el menú de la esquina superior derecha Download Firmware (Figura 3-52). y seleccionar About Eiger (Figura 3-51); a continuación pulsar en Figura Descarga del firmware desde Eiger (1)

63 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 39 Figura Descarga del firmware desde Eiger (2) Guardar el archivo descargado en un dispositivo USB para poder instalarlo en la impresora. Los pasos que hay que seguir son los siguientes: 1. Al Introducir el USB en la impresora aparecerá una notificación verde Checking USB Stick, como se muestra en la Figura Figura Instalación del firmware (1) 2. Una vez que la impresora haya chequeado el USB, aparecerá otra notificación verde Update Available (Figura 3-54), presionar sobre dicho mensaje. Figura Instalación del firmware (2) 3. Pulsar Update (Figura 3-55). No apagar la impresora mientras se está actualizando, ya que cuando termine se reiniciará.

64 40 Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos Figura Instalación del firmware (3) Estos pasos descritos hay que seguirlos siempre que haya que actualizar el firmware tras las modificaciones que la empresa MarkForged vaya realizando Nivelación de la cama de impresión Para un correcto funcionamiento de la impresora es muy importante que la cama de impresión esté correctamente nivelada junto con la adecuada altura de los inyectores de compuesto y de nailon. Para realizar dicha nivelación se proporcionan dos calzadores de distinto color, como se muestra en la Figura 3-56, (azul para el inyector de compuesto y amarillo para el inyector de nailon), que ajustan la altura de los inyectores según el espesor del filamento de compuesto (130 µm) y del filamento de nailon (100 µm). Figura Calzadores para la nivelación de la cama de impresión La nivelación de la cama de impresión debe hacerse al principio de la puesta en marcha de la impresora, cada vez que se actualice el firmware y cada cierto tiempo cuando se observe que la deposición de material no es adecuada. En los siguientes apartados se detallan los pasos que hay que seguir para la nivelación de la cama de impresión Instalación de la cama de impresión Para fijar la cama de impresión a la plataforma hay que orientarla de manera que las esferas traseras de la cama coincidan con los orificios elípticos de la plataforma, como se muestra en la Figura Colocarla suavemente, de tal forma que los acoplamientos magnéticos la alinearán automáticamente y la fijarán correctamente.

65 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 41 Figura Instalación de la cama de impresión Nivelación de la cama y ajuste de la altura de los inyectores Antes de proceder a la nivelación, es muy importante instalar el último firmware proporcionado por el fabricante. La nivelación de la cama de impresión se va realizando al mismo tiempo que el ajuste de la altura de los inyectores. Para ello, hay seguir los siguientes pasos: 1. En la pantalla táctil de la impresora pulsar Settings en la esquina superior derecha. 2. Pulsar Level print bed y a continuación pulsar Next para proceder a nivelar la cama de impresión y ajustar las alturas de los inyectores de compuesto y de nailon. Primero se ajusta la altura del inyector de nailon haciendo uso del calzador amarillo PLASTIC SHIM 100uM (Figura 3-58). Figura Calzador para el inyector de nailon Para realizar la nivelación hay que ir siguiendo los pasos que se van indicando en la pantalla de la impresora: 1. Aflojar los 3 tornillos de la parte inferior de la plataforma sobre la que se apoya la cama hasta que ésta se encuentra en su posición más baja. A continuación pulsar Next. 2. El cabezal de impresión se moverá de tal forma que sitúa el inyector de nailon en la misma posición que uno de los tornillos de la plataforma (el de la derecha). En dicha posición, deslizar el PLASTIC SHIM 100uM entre la cama de impresión y el inyector de nailon. 3. Ajustar el tornillo de la plataforma, situado en la parte inferior del inyector de nailon, hasta que se sienta una leve resistencia al deslizar el calzador (Figura 3-59). Hay que ir siguiendo las instrucciones de la pantalla de la impresora para que una vez que se ha ajustado un tornillo, el cabezal se mueva a la posición donde se encuentran los demás tornillos de la plataforma, para proceder al ajuste.

66 42 Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos Ajuste del tornillo para nivelar el inyector de nailon Figura Ajuste de la altura del inyector de nailon Si al realizar el ajuste alguno de los tornillos se aprieta hasta el punto en que no gira más y aún hay demasiado juego del calzador, se debe ajustar el offset en la dirección Z, por lo que se debe cancelar la nivelación presionando Cancel en la esquina superior derecha de la pantalla. Una vez cancelado, pulsar Settings, seleccionar Utilities y Adjust Z offset. Seguir las instrucciones de la pantalla de la impresora para corregir el desplazamiento de Z. Una vez corregido, volver a iniciar el procedimiento de nivelación de la cama de impresión. Al finalizar el ajuste de la altura del inyector de nailon, el cabezal de impresión se moverá para ir situando el inyector de compuesto sobre los tres tornillos de la plataforma, para poder ajustar su altura. Para ello, se deben seguir los siguientes pasos: 1. Deslizar el calzador FIBER SHIM 130uM azul entre la cama de impresión y el inyector de compuesto. 2. Ajustar el tornillo de cabeza Allen situado en la parte superior del cabezal de impresión para ajustar la altura del inyector de compuesto hasta que se sienta cierta resistencia mientras se desliza el calzador azul (Figura 3-60). Ajuste del tornillo Allen para nivelar el inyector de compuesto Figura Ajuste de la altura del inyector de compuesto Tras dichos pasos, queda nivelada la cama de impresión y la altura de los inyectores de nailon y de compuesto.

67 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos Puesta en marcha de la impresora Fabricación de piezas A continuación, se explican los diferentes procedimientos que hay que seguir para iniciar la fabricación de piezas tridimensionales con la impresora Preparación de la cama de impresión Antes de iniciar la fabricación de una pieza es muy importante aplicar una fina capa de pegamento de barra en la zona de la cama donde se vaya a realizar la pieza, para facilitar su posterior extracción. No olvidar aplicarlo en la esquina superior izquierda cuando se fabrique una pieza con material compuesto (uso de los dos inyectores), ya que se irá realizando un árbol o reloj de nailon cuyo fin es grabar un historial de la impresión (Figura 3-61). Figura Aplicación de pegamento de barra sobre la cama de impresión Tras la extracción de las piezas fabricadas, hay que lavar la cama con agua (Figura 3-62). No se debe usar jabón o productos de limpieza ya que pueden dañarla y dejar residuos. Figura Limpieza de la cama de impresión Inicio de la fabricación Una vez que la cama de impresión ha sido preparada, los pasos que hay que seguir para iniciar la fabricación de una pieza son los siguientes: 1. Encender la impresora en el botón situado en la parte trasera (Figura 3-63).

68 44 Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos Botón de encendidoapagado Figura Botón para encender la impresora 2. Se encenderá la pantalla táctil de la impresora, apareciendo la información de la Figura Nombre de la impresora Conexión Wi-Fi Menú desplegable, Settings Temperatura del inyector de nailon Temperatura del inyector de compuesto Figura Pantalla de inicio de la impresora 3. En el software de diseño Eiger se habrá creado un archivo.mfp con la pieza a realizar (Apartado 3.8). Dicho archivo hay que llevarlo hasta la impresora, pudiendo hacerse via Wi-Fi o a través de memorias USB. En el desarrollo de este proyecto fin de carrera se ha trabajado con la impresora Offline, es decir, no estando conectada a internet, por lo que los archivos se han importado del software Eiger a la impresora a través de memorias USB. 4. Antes de iniciar la impresión, es muy importante no olvidarse de aplicar el pegamento de barra sobre la cama de impresión. 5. Una vez insertado el USB en la impresora, pulsar en el menú desplegable Settings y seleccionar Print from USB, apareciendo el archivo generado. Seleccionarlo y la impresora comenzará a realizar la pieza. En la pantalla aparecerá la siguiente información acerca del proceso de fabricación (Figura 3-65): - Nombre del archivo generado en Eiger. - Tiempo real de impresión (no tiene por qué coincidir con el estimado en Eiger, en el Capítulo 6 se trata este aspecto). - Barra de progreso de la impresión, mostrando la capa actual en proceso de fabricación respecto del total, en número y en porcentaje.

69 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 45 Figura Pantalla de la impresora durante la fabricación A medida que se van fabricando las capas de la pieza la barra de progreso va avanzando, como se muestra en la Figura Figura Barra de proceso en la pantalla de la impresora Pausar la fabricación Si se desea pausar la fabricación de una pieza, por tener que cambiar el carrete de material o por insertar algún elemento entre capas, pulsar Pause en la esquina inferior derecha. La impresión se parará cuando se haya acabado por completo la capa en estudio (si se pausa a mitad de una capa, la impresora continua funcionando hasta que termina la fabricación de dicha capa). A continuación aparece en la pantalla la información que se muestra en la Figura Figura Pantalla de la impresora tras pausar la impresión - Resume: Permite continuar la fabricación por la capa que se pausó. - Stop: Cancela la fabricación por completo.

70 46 Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos - Reload: Se tiene que pulsar cuando se haya agotado un carrete de material y haya que cargar uno nuevo. Para ello hay que seguir los mismos pasos explicados en los Apartados y para cargar el material. Una vez que la pieza ha sido fabricada, aparecerá en la pantalla de la impresora la información que se observa en la Figura Figura Pantalla de la impresora tras finalizar la fabricación Pulsar Clear, apareciendo a continuación la temperatura actual del inyector de nailon y del inyector de compuesto (Figura 3-69). Además, aparece el aviso HOT, indicando que la temperatura de los inyectores es elevada y aún no se puede iniciar una nueva impresión. Figura Temperatura de los inyectores tras la fabricación Esta temperatura va disminuyendo a medida que pasa el tiempo, llegando a la temperatura adecuada para poder comenzar la fabricación de una nueva pieza (tiene que desaparecer el aviso HOT), como se muestra en la Figura Figura Temperatura adecuada para iniciar la fabricación

71 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos Extracción de las piezas fabricadas Cuando la fabricación de una pieza ha finalizado, hay que retirar la cama de impresión de la plataforma, para poder extraer la pieza haciendo uso de la espátula, como se observa en la Figura Figura Extracción de una pieza de la cama de impresión Se debe tener cuidado con el uso de la espátula, ya que su afilado filo de metal puede dañar la superficie de la cama, como se observa en la Figura Figura Cama de impresión dañada Eliminación de soportes Los soportes de nailon que se realizan en las zonas en voladizo se extraen una vez que la pieza ha sido extraída de la cama de impresión. Dependiendo del tipo de soporte y de la zona donde ha sido realizado se podrá eliminar con la mano o con ayuda de las pinzas. En la Figura 3-73 se muestra una esfera en cuya fabricación se han realizado soportes internos y externos.

72 48 Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos Figura Pieza con soportes La extracción de los soportes externos se realizó fácilmente con la mano, como se observa en la Figura 3-74 izquierda. Sin embargo, para los soportes internos se tuvo que hacer uso de las pinzas (Figura 3-74, derecha) Figura Eliminación de soportes 3.7 Mantenimiento En este apartado se detallan diversos aspectos para el mantenimiento de la impresora Cambio del inyector de fibra Para cambiar el inyector del filamento de compuesto es muy importante que la temperatura sea inferior de 40 C. A continuación, se detallan los pasos que hay que seguir: 1. Aflojar el adaptador del tubo Bowden de compuesto que hay en la parte superior del cabezal (Figura 3-75). Figura Cambio del inyector del filamento de compuesto (1)

73 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos Extraer del interior del cabezal el corto tubo que une el adaptador Bowden con el inyector y cortar el filamento, si lo hubiera (Figura 3-76). Figura Cambio del inyector del filamento de compuesto (2) 3. Para poder eliminar el filamento que queda a lo largo del tubo de alimentación, hay que cortarlo mediante el cortador de filamento que hay en la extrusora de compuesto. Para ello, pulsar en la pantalla táctil de la impresora en Settings-Utilities-Actuate fiber cutter. 4. Con el destornillador de vaso hexagonal, aflojar el inyector hasta su extracción, como se observa en la Figura Figura Extracción del inyector del filamento de compuesto 5. Instalar un nuevo tubo Bowden en el inyector e introducirlo en el cabezal aplicando lubricante en la parte roscada del inyector (Figura 3-78).

74 50 Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos Figura Instalación del inyector del filamento de compuesto (1) 6. Por último, volver a colocar el adaptador del tubo Bowden en el cabezal (Figura 3-79). Figura Instalación del inyector del filamento de compuesto (2) Almacenamiento de materiales Filamento de nailon Es muy importante mantener cerrada la caja seca de pelícano donde se encuentra instalado el carrete de nailon, para así mantener la humedad adecuada del mismo, ya que dichas propiedades afectan notablemente a la calidad de la impresión Filamento de compuesto Se deben almacenar los rollos de filamento de compuesto a temperatura ambiente, en un lugar fresco y seco, sin estar expuesto a la luz directa.

75 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos Software de diseño Eiger El software para la configuración de las características de las piezas a fabricar es proporcionado por la empresa MarkForged y está en la nube, en [11] (Figura 3-80). Para acceder a dicho software la empresa proporciona los datos de usuario y contraseña, que posteriormente se pueden cambiar Pantalla de inicio Figura Página de inicio de Eiger Al entrar en Eiger, la primera pantalla que aparece es la librería con las piezas que se van configurando y guardando, como se muestra en la Figura Figura Librería de Eiger A continuación se explican los iconos de la barra superior: Muestra información de los pasos que hay que seguir para la iniciar la fabricación. Wi-Fi. Muestra información de las piezas que se van fabricando cuando la impresora está conectada vía

76 52 Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos Importa el archivo con el diseño 3D de la pieza a fabricar (explicado en el Apartado 3.8.2). Muestra las notificaciones que MarkForged hace acerca de la impresora, del firmware. Menú desplegable con las siguientes opciones: Support: Se abre una nueva ventana con información acerca de cómo manejar la impresora. Settings: Aparece una nueva ventana con información acerca de la impresora (usuario, ) About Eiger: Se muestra el último firmware disponible para ser descargado. Terms of service: muestra los servicios que ofrece Markforged. Esta información se puede descargar en pdf al final de dicha ventana.

77 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 53 Sign out: Permite cerrar sesión del software. En la siguiente barra de herramientas aparecen los siguientes iconos: Las pestañas de Parts y Build hacen referencia a la librería de las piezas individuales o de construcciones (fabricación de varias piezas en una misma impresión), respectivamente.

78 54 Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos En la librería aparecen las piezas configuradas, mostrando el diseño, el nombre identificativo y un icono que muestra el tipo de compuesto utilizado. Si no aparece ningún icono de material es porque la pieza se ha configurado al 100% de nailon. Las pestañas de la derecha se despliegan, mostrándose la siguiente información: All user: Si la impresora trabaja online, aparecerán los distintos usuarios que poseen la impresora Mark One y también trabajan Online. Al trabajar offline, solo aparece el usuario asociado a nuestra impresora. Icon View: Tipo de vista para las piezas que aparecen en la librería. Si se selecciona Icons aparece el diseño 3D de cada pieza (Figura 3-82); si se selecciona List, aparece el nombre de las piezas junto con información de usuario, fecha de modificación y fecha de creación (Figura 3-83). Figura Librería de Eiger Iconos en 3D de las piezas Figura Librería de Eiger- lista de piezas

79 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos Diseño e importación al software de diseño Eiger El diseño de las piezas se puede realizar en cualquier programa de diseño CAD 3D. Para poder importarlo al software Eiger es necesario guardarlo en formato.stl. Para el análisis del software Eiger, se ha tomado como ejemplo una probeta de dimensiones 20x20x2 mm. El diseño se ha realizado en el programa CATIA, como se muestra en la Figura Figura Diseño de pieza en Catia Una vez que se ha guardado el diseño en formato.stl, pulsar en Import STL en el software Eiger. Cuando el archivo haya sido importado, aparecerá en la pantalla el diseño de la pieza, mostrándose en la parte superior izquierda información de la misma. - Nombre del archivo. - Nombre de usuario. - Características dimensionales de la pieza (configuradas en el programa CAD).

80 56 Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos Menú de configuración de las características de la pieza En el lateral derecho aparece un menú donde se configuran las características del material de fabricación de la pieza. Dichas propiedades se establecen por igual para todas las capas de la pieza y una vez configuradas, se puede editar cada capa por separado. Las propiedades que se pueden configurar en el menú son detalladas a continuación Características generales Se muestran las características generales para identificar la pieza a fabricar. Nombre de la pieza. Escala respecto al diseño original importado. Rotación respecto al diseño original importado Configuración de las capas de material compuesto Pestaña activada cuando la pieza a fabricar contiene material compuesto.

81 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 57 Para poder fabricar una pieza con filamento compuesto, debe existir un área mínima de 1 cuadrada (6.45 cm 2 ). El software detecta automáticamente si la superficie seleccionada para depositar el filamento de compuesto es menor y aún teniendo seleccionada la opción de uso de fibra, la pieza se fabricará automáticamente de nailon. Además, aparece un aviso de fallo. En la Figura 3-85 se muestra una pieza cuya superficie es 6.25 cm 2 y por lo tanto no se puede utilizar el filamento de material compuesto.. Figura Área mínima para la deposición de la fibra Elección del tipo de filamento compuesto: Kevlar, fibra de vidrio o fibra de carbono. Si se pulsa sobre el símbolo se muestra información acerca de la pestaña que se está configurando. Por ejemplo, en la pestaña del tipo de fibra aparece la siguiente información:

82 58 Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos Tipo de mallado del material compuesto de fibra. Existen 3 posibilidades. Concentric Fiber: Disposición del filamento de compuesto en forma circular, realizando anillos hasta completar de material la capa o hasta realizar un determinado número de anillos (se configura en las siguientes pestañas). Debido a la rigidez del filamento de compuesto, hay un mínimo radio de curvatura a partir del cual el filamento no puede doblarse. El área que no se puede cubrir con material compuesto se rellena automáticamente con nailon, como se muestra en la Figura Figura Diseño del mallado Concentric Fiber del material compuesto Isotropic Fiber: Disposición del filamento de compuesto en ángulo. En la Figura 3-87 se ha considerado 45. Figura Diseño del mallado Isotropic Fiber del material compuesto Full Fiber: Es muy parecida a la configuración de Isotropic Fiber. La diferencia está en que se rellenan con nailon los bordes de la pieza, como se muestra en la Figura Figura Diseño del mallado Full Fiber del material compuesto

83 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 59 En las piezas realizadas no se ha observado especial diferencia entre la configuración Isotropic Fiber y Full FIber, observándose peor acabado con la opción Full Fiber, como se aprecia en la Figura 3-89 y Figura Figura Probeta con Full Fiber Figura Probeta con Isotropic Fiber Para el compuesto de fibra de vidrio y de fibra de Kevlar se puede elegir cualquier tipo de configuración de mallado, sin embargo, para el compuesto de fibra de carbono sólo es posible elegir la configuración Concentric Fiber, ya que la configuración de Istropic Fiber conlleva la ejecución de un radio de curvatura muy pequeño entre pasadas, y la elevada rigidez del filamento compuesto de fibra de carbono impide la ejecución de dicho radio de curvatura. Número de capas de material compuesto, según el espesor de la pieza y el espesor del filamento de compuesto. El número de capas de material compuesto se configura de forma simétrica, desde el exterior al interior de la pieza, de tal forma que si se configuran cuatro capas de compuesto, se añaden dos capas de compuesto en la parte inferior de la pieza y dos en la parte superior; el resto de capas internas se fabrican de nailon. Además, cabe destacar que la primera y la última capa siempre son realizadas con nailon (Figura 3-91). Última capa de nailon Capas de compuesto Capas internas de nailon Figura Configuración de las capas de material Primera capa de nailon

84 60 Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos Número de anillos cuando se elige la configuración Concentric Fiber (número de vueltas completas del filamento de compuesto). Ángulo del filamento de compuesto cuando se elige la configuración Isotrpic Fiber o Full FIber. Si se quiere realizar un laminado con una determinada secuencia de ángulos, se especifican los ángulos deseados y el software automáticamente hace una secuencia repetitiva según el número de capas de compuesto configuradas Configuración de las características de las capas de nailon En el menú de configuración avanzada se establecen las características del nailon.. La opción de uso de soportes se activa cuando una pieza tiene zonas en voladizo. El software detecta automáticamente dichas zonas y no permite configurar una pieza si no se activan (aparece un mensaje alertando de la necesidad del uso de soportes). Los soportes no hay que diseñarlos, ya que el software los configura automáticamente según el diseño de la pieza. Son de nailon y se quitan tras la fabricación de la pieza. Por ejemplo, en la Figura 3-92 se muestra una pieza que tiene zonas en voladizo, donde será necesario el uso de suportes. Zonas en voladizo Figura Pieza que requiere soportes

85 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 61 Se puede configurar la dirección de realización de los soportes, 0 (dirección x) o 90 (dirección y). En la pieza de la Figura 3-93 la dirección de los soportes es de 0 y en la Figura 3-94 de 90. Figura Soportes en dirección 0 Figura Soportes en dirección 90 Se debe activar cuando una pieza tiene paredes muy finas, para conseguir un mejor acabado.

86 62 Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos Use Brim se debe activar cuando el área de contacto de la base de la pieza con la cama de impresión es reducida. Lo que hace esta opción es sobredimensionar la base del elemento a fabricar para así tener una mejor fijación a la cama de impresión. La superficie sobredimensionada con nailon se elimina tras finalizar la fabricación. En la Figura 3-95 se observa el área añadida a la base de una pieza. Base sobredimensionada Figura Sobredimensionamiento de la base de las piezas Sistema de unidades utilizado: métrico o imperial. El espesor del las capas de nailon está condicionado por el tipo de compuesto utilizado (fibra de vidrio, fibra de carbono o Kevlar) y tendrá el mismo espesor que el filamento de compuesto, no pudiendo modificarse. Sin embargo, si la pieza es 100% de nailon, el espesor por capa se puede configurar de 0.1 mm a 0.2 mm. En la Tabla 3-2 se muestra el espesor de las capas de nailon según el tipo de compuesto que se utilice en la fabricación de una pieza.

87 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 63 Tipo de material utilizado en la fabricación Espesor por capa (mm) Sólo nailon De 0.1 a 0.2 Nailon + compuesto de fibra de vidrio 0.1 Nailon + compuesto de fibra de carbono Nailon + compuesto de fibra de Kevlar 0.1 Tabla 3-2. Espesor de las capas de nailon Elección del patrón de relleno de las capas de nailon. Existen tres posibilidades: hexagonal (Figura 3-96), rectangular (Figura 3-97) y triangular (Figura 3-98). Figura Mallado de nailon hexagonal Figura Mallado de nailon rectangular

88 64 Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos Figura Mallado de nailon triangular En esta pestaña se configura la densidad del mallado de nailon. En la Figura 3-99 y Figura se observa la diferencia entre 100% y 20% de densidad para las tres configuraciones de mallado. Figura Densidad del nailon: 100% Figura Densidad del nailon: 20% Si se desea obtener una pieza de nailon con la mayor compactación posible se recomienda el uso del mallado rectangular con 100% de densidad. Si se desea mayor velocidad de fabricación, se debe usar el mallado triangular. La velocidad también depende de la densidad del mallado, siendo la velocidad mayor a menor densidad.

89 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 65 Por defecto, la capa inferior y superior de las piezas son fabricadas de nailon, así como el borde de cada capa. Se puede configurar el número de capas exteriores y las capas del borde en cada lámina (espesor del borde) Configuración adicional En este espacio se pueden añadir comentarios adicionales de la fabricación. Además, se puede especificar a qué proyecto está asociada la pieza. Una vez configurados todos los campos del menú de propiedades, pulsar Save. Tras ser configuradas las propiedades de la pieza, se muestra en el lateral izquierdo información acerca de la pieza y del proceso de fabricación, como se muestra en la Figura

90 66 Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos Figura Vista general de Eiger tras configurar las propiedades de la pieza - Comentarios de la pieza. - Versión de la pieza junto con la fecha de modificación. Cada vez que se modifiquen características de la pieza y se guarden, se van generando distintas versiones. Si se pulsa sobre el icono All Versions, aparece un desplegable con todas las versiones de la pieza, pudiendo ver cada una de ellas. - Tiempo de impresión estimado. - Volumen de material utilizado. Para ver en 2D y en 3D la pieza configurada y poder editar la pieza capa a capa, hay que pulsar en Internal View en la esquina inferior derecha.

91 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos Entorno de visión interna de la pieza previamente configurada La primera pantalla que aparece tras seleccionar Internal View es la que se muestra en la Figura Figura Entorno de visión interna 3D A continuación se detalla la función de cada pestaña: En la esquina superior izquierda se muestra la ubicación donde nos encontramos dentro de Eiger. Permite hacer una copia del diseño en estudio. Permite enviar a la empresa Markforged cualquier duda. Elección de los elementos visibles en el modelo 3D y 2D. Dichos elementos aparecen en el menú desplegable al pulsar la pestaña Visibility. Pulsando el icono de cada parte de la pieza se activan o desactivan las vistas.

92 68 Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos Cada tipo de material se representa de un color: - Nailon: blanco - Fibra de vidrio: amarillo - Fibra de Carbono: azul All Sections: se ven todas las capas de la pieza. Isotropic Fiber Fill: Se ven las capas de material compuesto. En el ejemplo en estudio, dos capas en la parte inferior y dos en la parte superior. Triangular Plastic Fill: capas internas de nailon

93 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 69 Floor, Roof: Primera y última capa de nailon. Por defecto dichas capas tienen mallado rectangular y no se pueden modificar. Wall: Bordes de nailon de cada capa de la pieza. Permite ver la pieza en 3D o en 2D y configurarla capa a capa. Modelo 3D En la parte inferior de la pantalla aparece una barra a modo de resumen del material de la pieza por conjunto de capas y el espesor de cada conjunto. Pulsando en las distintas secciones de la barra, se va mostrando en el diseño 3D el conjunto de capas seleccionadas así como información de dichas capas. Se muestra el espesor acumulado desde la primera capa. A continuación se muestra la pieza de ejmeplo de la Figura 3-84, configurada con cuatro capas de compuesto de fibra de vidrio (dos en la parte inferior y dos en la parte superior). Primera capa de nailon-espesor 0.1mm. Capas 2 y 3 de compuesto de fibra de vidrio, cada una de 0.1mm de espesor.

94 70 Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos Capas 4 a 17 de nailon, cada una de ellas de 0.1 mm. Capas 18 y 19 de compuesto de fibra de vidrio, al igual que las capas 2 y 3. Última capa de nailon, mostrándose el espesor total de la pieza. En el lateral izquierdo aparece información acerca de la pieza: - Nombre de la pieza - Usuario - Comentarios - Tiempo total estimado de impresión - Cantidad total de material utilizado. Si se selecciona una capa en la barra resumen inferior, aparece el tiempo de impresión y material consumido en las capas seleccionadas. Modelo 2D Al pulsar en icono 2D, la pantalla inicial que aparece se muestra en la Figura En dicho espacio se pueden modificar las propiedades de la pieza capa a capa.

95 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 71 Figura Entorno de visión interna 2D La información que aparece es similar que en el modelo 3D. La barra resumen inferior muestra la información capa a capa, a diferencia del modelo 3D que mostraba la información de las capas en conjunto según el material. En la esquina superior derecha aparece una ventana para editar cada capa. La primera y última capa no son configurables, por defecto el software las establece como capas de nailon de mallado rectangular. Esta configuración ayuda a que la pieza se adhiera correctamente a la cama de impresión y que el acabado exterior de la pieza sea en su totalidad de nailon, mejorando el aspecto y protegiendo las capas de compuesto. Para editar una determinada capa, hay que seleccionarla en la barra resumen inferior. Las propiedades que se pueden editar son las establecidas en el menú principal de propiedades (Apartado 3.8.3). Por ejemplo, si se selecciona la capa 3, la información que aparece es la siguiente:

96 72 Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos Fill Pattern hace referencia al mallado de nailon en las zonas sin material compuesto. Las configuraciones de Floor Fill y Roof Fill son rectangulares y se utilizan en la primera y última capa respectivamente. Configuración del mallado del compuesto de fibra. Orientación del filamento de compuesto en el mallado Isotropic Fiber y Full Fiber. Cuando se selecciona Concentric Fiber, hay que especificar el número de anillos por capa (número de vueltas completas de filamento compuesto) y dónde se inicia la deposición de dicho filamento. Existe un número mínimo y máximo de anillos para poder utilizar este tipo de configuración del mallado del material compuesto. No hay un criterio definido para saber dicho número, por lo que hay que ir probando. Si se especifica un número reducido de anillos que la impresora no puede realizar, automáticamente se configura la capa entera de nailon; si se especifica un número elevado de anillos, el software establece el número máximo que se pueden realizar. El inicio de los anillos se establece en porcentaje del perímetro de la pieza, siendo el punto de origen la esquina superior izquierda. En la pieza en estudio, si se establecen 5 anillos, con inicio en 0% (origen), el diseño sería el que se muestra en la Figura Figura Configuración del mallado del material compuesto Concentric Fiber (1)

97 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 73 Si se configura el inicio de la rotación en 50%, la deposición de la fibra comenzaría en la esquina inferior derecha (mitad del perímetro de la pieza), como se muestra en la Figura Figura Configuración del mallado del material compuesto Concentric Fiber (2) Se activa cuando se desea pausar la fabricación en la capa en estudio para incorporar algún elemento. Para la incorporación de elementos entre capas se deben seguir los siguientes pasos:. - Pausar la impresión en la última capa donde se desea incorporar el componente. - Retirar la cama de impresión para colocar el componente. Aplicar pegamento de barra para adherir la parte superior en inferior de la pieza a las capas de material. - Volver a colocar la cama para continuar la impresión. Asegurarse de que el objeto está por debajo de las boquillas de impresión. En el lateral izquierdo aparece información del tiempo de fabricación y del material consumido desde la primera capa hasta la capa en estudio, respecto del total. Tras la configuración de las capas, se guardan los cambios pulsando Save la esquina inferior derecha. Si se quiere volver a la pantalla de la vista general de la pieza, seleccionar Part View.

98 74 Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos 3.9 Configuración de la impresión Una vez que se han configurado las características de la pieza a fabricar y se han guardado, se pulsa Print. Esta opción está disponible tanto en la pantalla de vista general de la pieza como en la vista interna. A continuación aparece una nueva ventana donde se simula el entorno de la cama de impresión, mostrándose la ubicación donde se fabricará la pieza. Por defecto, la pieza se sitúa en el centro de la cama de impresión. Pinchando sobre la pieza y arrastrándola sobre la cama se puede elegir cambiar su ubicación. En el lateral derecho aparece un menú para configurar qué piezas se quieren fabricar.

99 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 75 Nombre del archivo que se genera con la pieza a fabricar. Por defecto aparece el nombre configurado en las propiedades de la pieza. Piezas que se van a realizar en una misma impresión. Si se quieren fabricar varias piezas en una misma impresión, hay que pulsar Add Parts y aparecerá un desplegable con todas las piezas existentes en la librería de Eiger; se seleccionan las piezas deseadas, creándose una lista con las mismas. Del mismo modo, aparecerán dichas piezas en la cama de impresión, pudiendo especificar la ubicación de cada una. A continuación se pulsa Save Build para guardar los cambios y posteriormente Export Build para generar un archivo.mfp, que será exportado a la impresora para iniciar la fabricación.

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101 Capítulo 4 4. CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES

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103 En este capítulo se presentan los ensayos mecánicos, físicos y micrográficos que se han llevado a cabo para la caracterización de las piezas fabricadas mediante tecnología aditiva con la impresora 3D Mark One. Los materiales caracterizados han sido: filamento compuesto de fibra de vidrio, filamento compuesto de fibra de carbono y material termoplástico (nailon). 4.1 Ensayos de caracterización mecánica En este apartado se detalla la campaña de ensayos mecánicos para la determinación de la rigidez y la resistencia de los materiales. Para ello, se ha seguido la siguiente secuencia, que también estructura este apartado: 1. Fabricación y mecanizado (si fuera necesario) de las probetas para los ensayos. 2. Control dimensional de las probetas. 3. Instrumentación de las probetas - realización de los ensayos. 4. Análisis de los resultados de los ensayos, mediante la representación gráfica de las curvas características, el cálculo de las constantes de rigidez y el análisis de la rotura. En la Tabla 4-1 y Tabla 4-2 se muestran los diferentes ensayos realizados con cada tipo de material así como las características de rigidez y resistencia determinadas en cada uno de ellos. Material Tipo de ensayo Orientación de la fibra Nº probetas ensayadas Características determinadas Tracción 0 5,, Fibra de vidrio Tracción 90 5, Tracción ±45 5, Compresión 0 5, Tracción 0 5,, Fibra de carbono Compresión (sin tacones) 4 (con tacones) Tabla 4-1. Campaña de ensayos mecánicos para la caracterización de los filamentos de compuesto 79

104 80 Caracterización de los materiales Material Tipo de ensayo Tipo de mallado Densidad del mallado Nº probetas ensayadas Características determinadas Tracción Rectangular 100% 1 20% 1 Nailon Tracción Triangular 100% 1 20% 1 Tracción Hexagonal 100% 1 20% 1 Tabla 4-2. Campaña de ensayos mecánicos para la caracterización del filamento de nailon Determinación de las características de rigidez A continuación se describen los ensayos que se van a realizar para la caracterización mecánica de los materiales [12] Características a tracción La geometría de las probetas a emplear, el procedimiento o técnica experimental, las recomendaciones y resultados a obtener para los ensayos de tracción se recoge en la norma ASTM D3039 [13]. La determinación de las constantes, y se realiza mediante un ensayo de tracción haciendo uso de dos laminados unidireccionales, uno con orientación a 0 y otro con orientación a 90 (Figura 4-1). Figura 4-1. Esquema de las probetas de ensayo (0 y 90 ) [12] En las probetas con orientación de la fibra a 0, se han colocado bandas extensométricas del tipo XY31-3/120 para medir las deformaciones y. A partir de dichas deformaciones, la carga aplicada y la geometría de la probeta, se determinan y.

105 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos Cuando la probeta se somete a una fuerza F, la tensión normal provocada viene dada por: 81 (4.1) Donde A es el área transversal de la probeta. Usando las ecuaciones constitutivas: (4.2) De donde se obtiene: (4.3) En las probetas con orientación de la fibra a 90, se han medido las deformaciones en la dirección de aplicación de la carga, es decir, perpendicular a la dirección de la fibra, para lo cual se ha utilizado un extensómetro durante el ensayo de tracción. A partir de dichas deformaciones, la carga aplicada y la geometría de la probeta se determina Procediendo del mismo modo que en las probetas a 0, se obtiene (4.4) Para la determinación de la rigidez a cortadura,, se someten a tracción probetas cuyas fibras están orientadas ±45. Para este ensayo se ha seguido la norma UNE-EN ISO [14]. Figura 4-2. Esquema de las probetas de ensayo (±45 ) [12] puede ser evaluado directamente a partir de la medida tomada de dos galgas situadas ortogonalmente y orientadas de tal forma que una de ellas siga la orientación de la carga (eje x). En los ensayos realizados se han utilizado, al igual que en las probetas a 0, bandas extensométricas tipo XY31-3/120. A partir de de las medidas de las bandas, la deformación angular transformación del sistema x-y al 1-2: se obtiene mediante las ecuaciones de (4.5)

106 82 Caracterización de los materiales La carga F aplicada provocará una tensión normal de valor: (4.6) Donde A es el área de la probeta, siendo el resto de componentes del tensor cero. El paso de este tensor al sistema de ortotropía permite obtener el valor de : Conocido y, la ley constitutiva en el sistema ortótropo permite obtener el valor de : (4.7) (4.8) Características a Compresión La geometría de las probetas a emplear, el procedimiento o técnica experimental, las recomendaciones y resultados a obtener para los ensayos de compresión se recoge en las normas ASTM D-6641 [15], UNE-EN ISO [16], I+D-E 51 [17]. Para los ensayos a compresión se han realizado probetas con orientación de la fibra a 0. Se ha determinado, para lo cual se han colocado bandas extensométricas en la dirección de la carga (eje x) del tipo LY41-6/120. A partir de la medida de las bandas, la fuerza aplicada y el área transversal de la probeta, y aplicando las ecuaciones se obtiene el módulo elástico de compresión: (4.9) Fabricación de las probetas y control dimensional En este apartado se muestra, en función del tipo de ensayo a realizar, la fabricación de las probetas y el control dimensional de las mismas. Para el control dimensional se han realizado 4 medidas de ancho y 4 de espesor por probeta, y se han considerado los valores medios para los cálculos. Como se ha comentado en el Capítulo 2, todas las piezas poseen una capa inferior y superior de nailon, por ello los cálculos se han realizado teniendo en cuenta el espesor total de las probetas y sin considerar el espesor de las capas exteriores de nailon. En las probetas de compuesto de fibra de vidrio cada capa de nailon es de 0.1 mm y en las probetas de compuesto de fibra de carbono de mm. Para medir el ancho se ha usado un pie de rey (Figura 4-3, izquierda) y para el espesor un micrómetro (Figura 4-3, derecha). Figura 4-3. Equipos para el control dimensional de las probetas

107 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 83 A continuación, se muestran las probetas fabricadas para cada ensayo, junto con sus dimensiones Probetas de compuesto de fibra de vidrio a 0 - Tracción En una misma impresión se han fabricado tres probetas, y las otras dos en impresiones por separado (Figura 4-4). Figura 4-4. Fabricación de las probetas FV-0 En la Figura 4-5 se muestran las probetas de ensayo. La diferencia de color se debe a que las dos primeras probetas se realizaron por separado y las restantes en una misma impresión, lo que implica que las características de fabricación pueden variar por diversos factores como la nivelación de la cama de impresión. Además, la probeta 1 se realizó tras actualizarse el firmware de la impresora, lo que conlleva la mejora de diversos parámetros. Figura 4-5. Probetas FV 0 Tracción

108 84 Caracterización de los materiales En la Tabla 4-3 se muestra el control dimensional de las probetas. Probetas de compuesto de fibra de vidrio Tracción Probeta Ancho (mm) Espesor total (mm) Espesor sin capas exteriores (mm) P P P P P Tabla 4-3. Control dimensional de las probetas FV 0 Tracción Probetas de compuesto de fibra de vidrio a 90 - Tracción Se han fabricado un total de 6 probetas con la orientación de la fibra a 90 (Figura 4-6). Figura 4-6. Fabricación de las probetas FV-90 Tracción La fabricación de una de ellas no se realizó correctamente debido a que la deposición del compuesto de fibra fue irregular, obteniendo una superficie rugosa y mal compactada. En la Figura 4-7 se observa la probeta defectuosa y otra fabricada correctamente. Figura 4-7. Probeta mal fabricada con orientación de la fibra a 90

109 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 85 Las 5 probetas para ensayar se muestran en la Figura 4-8. Figura 4-8. Probetas FV 90 Tracción La probeta 5 presenta mejor aspecto en cuanto a compactación del material compuesto y acabado. Esto se debe a que fue la última en fabricarse, tras producirse varias actualizaciones del firmware de la impresora, donde se han ido mejorado diversos parámetros. Al realizar las probetas con la dirección de la fibra a 90, el filamento no llega hasta el borde de la probeta debido a la pequeña longitud de recorrido y el radio de curvatura entre pasadas, como se muestra en la Figura 4-9. Para los cálculos sólo se ha tenido en cuenta la superficie cubierta por material compuesto de fibra. Figura 4-9. Bordes irregulares en las probetas con la fibra a 90

110 86 Caracterización de los materiales En la Tabla 4-4 se detalla el control dimensional de las probetas. Probetas de compuesto de fibra de vidrio Tracción Probeta Ancho total (mm) Ancho de fibra (mm) Espesor total (mm) Espesor sin capas exteriores (mm) P P P P P Tabla 4-4. Control dimensional de las probetas FV Probetas de material compuesto de fibra de vidrio a ±45 - Tracción Se han realizado un total de 8 probetas con la dirección de la fibra siguiendo la secuencia [+45/-45] (Figura 4-10). Las 3 primeras probetas no se han tenido en cuenta porque los datos tomados durante el ensayo fueron erróneos. Por ello, las probetas están numeradas de 4 a 8. Figura Fabricación de las probetas FV ±45 En la fabricación se ha observado que la deposición del material en los bordes es irregular, al igual que en las probetas con la fibra a 90, como se observa en la Figura Figura Bordes irregulares en las probetas con la fibra a ±45

111 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 87 En la Figura 4-12 se muestran las probetas con la fibra a ±45. Se observa que la probeta 8 tiene mejor acabado, debido a las sucesivas actualizaciones del firmware de la impresora. Para los cálculos sólo se ha tenido en cuenta en acho correspondiente a la zona cubierta por fibra. Figura Probetas FV ±45 Tracción En la Tabla 4-5 se detalla el control dimensional de las probetas. La diferencia de espesor se debe a que las probetas 4 y 5 se han realizado en una impresión y las demás en otra. Probetas de compuesto de fibra de vidrio - ±45 - Tracción Probeta Ancho total (mm) Ancho de fibra (mm) Espesor total (mm) Espesor sin capas exteriores (mm) P P P P P Tabla 4-5. Control dimensional probetas FV ±45

112 88 Caracterización de los materiales Probetas de compuesto de fibra de vidrio a 0 - Compresión En la Figura 4-13 se muestra la fabricación de varias probetas de compuesto de fibra de vidrio para ser ensayadas a compresión. Figura Fabricación probetas FV 0 Compresión En la Figura 4-14 se muestran las probetas una vez fabricadas y con bandas extensométricas. Figura Probetas FV 0 Compresión En la Tabla 4-6 se detalla en control dimensional de las probetas. Las dimensiones nominales han sido tomadas de la norma I+D-E 51 [17].

113 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 89 Probetas de compuesto de fibra de vidrio Compresión Probeta Ancho (mm) Espesor total (mm) Espesor sin capas exteriores (mm) P P P P P Tabla 4-6. Control dimensional de las probetas FV 0 Compresión Probetas de compuesto de fibra de Carbono a 0 - Tracción La fabricación de las probetas de fibra de carbono no se puede realizar de forma individual debido a las características de la configuración concéntrica del filamento de compuesto de fibra. Por ello, se ha realizado un panel de donde se han obtenido varias probetas unidireccionales a 0, como se observa en la Figura 4-15 y Figura Figura Fabricación del panel para las probetas FC 0 Tracción

114 90 Caracterización de los materiales Figura Panel de compuesto de fibra de carbono para obtener probetas unidireccionales Como se observa en la Figura 4-16, el panel fabricado con configuración concéntrica del filamento de compuesto posee varias zonas: - Radio de curvatura, donde el filamento de compuesto cambia su orientación 90 respecto al lado largo del panel (Figura 4-17). Figura Radio de curvatura configuración del mallado Concentric fiber - Línea central de nailon. - Lado largo del panel, con orientación de la fibra a 0, que es la zona viable para la extracción de las probetas, como se muestra en la Figura Área viable para probetas Área viable para probetas Figura Zona de extracción de probetas del panel de FC Se han fabricado dos paneles de donde se han obtenido 5 probetas, cortadas con sierra de disco de diamante. Cabe destacar que el corte con sierra no es de mucha precisión, debido al carácter termoplástico de la matriz, provocando la formación de rebaba en la sección cortada, como se observa en la Figura 4-19.

115 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 91 Figura Rebaba en el corte de las probetas Tras el primer corte, las probetas obtenidas se muestran en la Figura Figura Probetas FC 0 Tracción (sin tacones) Se han ajustado las dimensiones de las probetas para que todas sean similares, y a continuación se les han incorporado tacones de fibra de vidrio a cuatro de ellas (probetas 2 a 5). A la probeta 1 no se le ha puesto tacones para poder comparar resultados con y sin tacones. Para la adhesión de los tacones se ha usado el adhesivo EA-9394 de dos componentes, siendo las proporciones para el primer componente (Part A) y para el segundo componente (Part B) 100 y 17 respectivamente (Figura 4-21). Antes de proceder a la adhesión, se ha lijado la superficie de las probetas y se ha limpiado con acetona.

116 92 Caracterización de los materiales Figura Adhesión de tacones de fibra de vidrio a las probetas de FC Para acelerar el proceso de curado del adhesivo, se ha aplicado presión y temperatura sobre las probetas introduciéndolas en un horno a 66ºC durante un tiempo de 90 minutos, valores especificados por el fabricante. Las probetas definitivas para ser ensayas a tracción se muestran en la Figura Figura Probetas FC 0 Tracción (con tacones)

117 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 93 Las dimensiones de las probetas se muestran en la Tabla 4-7. Probetas de compuesto de fibra de Carbono Tracción Probeta Ancho (mm) Espesor total (mm) Espesor sin capas exteriores (mm) P P P P P Tabla 4-7. Control dimensional probetas FC 0 Tracción Probetas de compuesto de fibra de Carbono a 0 - Compresión Para la fabricación de las probetas de compresión con la fibra a 0 se han realizado dos paneles y se ha procedido de la misma forma que para las probetas de fibra de carbono para ser ensayadas a tracción. Se han obtenido un total de 9 probetas, 5 de ellas para determinar el módulo elástico, y a las 4 restantes se les han adherido tacones para determinar la resistencia a compresión. En un principio se ensayaron dos probetas sin tacones para determinar la resistencia, pero se observó que llegaba un punto en que la probeta no absorbía carga, produciéndose aplastamiento de la misma en uno de los extremos. Por ello, se ha optado por ponerles tacones, siguiendo la norma I+D-E 51 [17]. Las probetas para determinar el Módulo Elástico se muestran en la Figura Figura Probetas FC 0 Compresión (sin tacones)

118 94 Caracterización de los materiales Las dimensiones de las probetas para la obtención de la rigidez se muestran en la Tabla 4-8. Probetas sin tacones de compuesto de fibra de Carbono Compresión Probeta Ancho (mm) Espesor total (mm) Espesor sin capas exteriores (mm) P P P P P Tabla 4-8. Control dimensional probetas FC 0 Compresión (sin tacones) Para la determinación de la resistencia a compresión se han fabricado nuevas probetas de material compuesto de fibra de carbono a las que se les han incorporado tacones. Para los ensayos de compresión los tacones son del mismo material que la probeta [15] [17], por lo que se ha utilizado un panel de fibra de carbono unidireccional, con las fibras orientadas en la misma dirección que las probetas fabricadas, para el corte de los tacones. Antes de proceder a la adhesión de los tacones, se ha lijado la superficie de las probetas y se ha limpiado con acetona. Para la adhesión de los tacones se ha usado el adhesivo EA-9394 de dos componentes, siendo las proporciones para el primer componente (Part A) y para el segundo componente (Part B) 100 y 17 respectivamente. Primero se ha adherido el material de los tacones a los paneles de fibra de carbono de la impresora, como se muestra en la Figura 4-24, y una vez curados se han cortado las probetas con las medidas requeridas. Figura Adhesión de tacones a las probetas de FC 0 Compresión

119 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 95 En la Figura 4-25 se muestran las probetas para la determinación de la resistencia a compresión. Figura Probetas FC 0 Compresión (con tacones) En la Tabla 4-9 se muestran las dimensiones las probetas con tacones. Probetas con tacones de compuesto de fibra de Carbono Compresión Probeta Ancho (mm) Span (mm) Espesor total (mm) Espesor sin capas exteriores (mm) P P P P Tabla 4-9. Control dimensional de las probetas FC 0 Compresión (con tacones) Nailon Como se ha explicado en el Apartado , se pueden fabricar las piezas de nailon con una determinada densidad del mallado, que influye en sus características resistentes, estéticas y en la velocidad de fabricación. A continuación se presentan las probetas de nailon fabricadas según la densidad y la configuración del mallado. Densidad del mallado: 100% En una misma impresión se han realizado tres probetas con los tres tipos de mallado posibles (rectangular, triangular y hexagonal) y densidad del mismo del 100%, como se observa en la Figura 4-26.

120 96 Caracterización de los materiales Figura Fabricación de las probetas de Nailon con densidad del mallado del 100% En la Figura 4-27 se muestran las probetas, observándose las distintas configuraciones de mallado. Rectangular Triangular Hexagonal Figura Probetas de Nailon con densidad del mallado del 100% Densidad del mallado: 20% Se ha fabricado una probeta con cada tipo de mallado y densidad del 20%. Cada probeta se ha realizado por separado (Figura 4-28).

121 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 97 Figura Fabricación de probeta de Nailon con densidad del mallado del 20% En la Figura 4-29 se muestran las probetas tras su fabricación. Rectangular Triangular Hexagonal Figura Probetas de Nailon con densidad del mallado del 20% En la Tabla 4-10 se muestran las dimensiones de las probetas de Nailon, según la densidad y el tipo de mallado. Nailon 100% densidad Nailon 20% densidad Mallado Ancho (mm) Espesor (mm) Ancho (mm) Espesor (mm) Rectangular Triangular Hexagonal Tabla Control dimensional de las probetas de nailon

122 98 Caracterización de los materiales Instrumentación A continuación se presenta la instrumentación utilizada para la realización de los ensayos, como es la máquina de ensayo, los dispositivos de ensayo y los elementos extensométricos Máquina de ensayo Para la campaña de ensayos mecánicos llevada a cabo, se ha utilizado la máquina de ensayo Instron 4482 con una célula de carga de 100 kn (Figura 4-30), tanto para los ensayos de tracción como para los de compresión Dispositivos de ensayo Figura Máquina de ensayo Para los ensayos de compresión se ha utilizado un dispositivo diseñado para evitar el pandeo global de la probeta durante el ensayo (Figura 4-31). La probeta se dispone entre unas guías que evitan la flexión de la misma fuera de su plano. Cuando el ensayo se realiza con bandas, el útil presenta un orificio en la zona central donde se ubica la galga para poder conectar los cables a la caja de bandas, como se muestra en la Figura 4-31 izquierda. Cuando se ensayan las probetas hasta rotura, la placa delantera del útil no posee orificio central (Figura 4-31, derecha). Figura Dispositivo de ensayo a compresión

123 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos Extensometría Para la medida de las deformaciones de las probetas se han utilizado dos tipos de bandas extensométricas: 1. XY31-3/120 (Figura 4-32). Estas bandas permiten medir la deformación longitudinal ( y transversal ( a la vez. Figura Banda extensométrica XY31-3/ LY41-6/120 (Figura 4-33). Permiten medir la deformación longitudinal (. Figura Banda extensométrica LY41-6/120 Para la medida de las deformaciones mediante galgas se ha utilizado una caja de bandas extensométricas, en cuyo interior posee un puente Wheatstone (Figura 4-34). Figura Caja de bandas extensométricas En los ensayos de tracción de las probetas con la fibra a 90 se han medido las deformaciones mediante un extensómetro con longitud calibrada de 50 mm (Figura 4-35).

124 100 Caracterización de los materiales Figura Extensómetro Resultados de los ensayos En este apartado se muestran los resultados experimentales de la campaña de ensayos realizada para caracterizar el material de las piezas fabricadas con la impresora 3D: filamento de compuesto de fibra de vidrio, de fibra de carbono y material termoplástico (nailon). Como se ha comentado en el Capítulo 3, todas las piezas poseen una capa inferior y superior de nailon. Los cálculos se han realizado teniendo en cuenta el espesor total de las probetas y sin considerar el espesor de las capas exteriores de nailon. Las curvas representadas corresponden al caso sin tener en cuenta las capas exteriores de nailon. Para los ensayos de tracción se ha seguido la norma ASTM D3039 [13], calculándose el módulo de elasticidad entre 1000 µε y 3000 µε. Para las probetas con orientación de la fibra a ±45 se ha hecho uso de la norma UNE-EN ISO [14]. Para los ensayos de compresión se han seguido las normas ASTM D6641 [15] y UNE-EN ISO [16], obteniendo el módulo de elasticidad entre 1000 µε y 3000 µε y entre 500 µε y 2500 µε, respectivamente. A continuación se presentan los resultados de los ensayos agrupados en función del tipo de material caracterizado. Se analizan las curvas de ensayo así como el tipo de rotura de las probetas Compuesto de fibra de vidrio Ensayo de tracción Fibras a 0 En la Figura 4-36 se observa la realización del ensayo de tracción de las probetas unidireccionales con la orientación de las fibras de vidrio a 0. Figura Realización del ensayo a tracción FV 0

125 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 101 En la Figura 4-37 se muestran las curvas de tensión frente a deformación longitudinal de cada probeta observándose una pendiente similar en todas ellas. Figura Gráfico Tensión-Deformación longitudinal ensayo de tracción FV 0 En la Figura 4-38 se representa la tensión frente a la deformación longitudinal y transversal (se ha dibujado en valor absoluto) de la probeta 2 para evaluar el Coeficiente de Poisson. Para el resto de probetas el comportamiento de ε 11 y ε 22 es similar, obteniendo valores del coeficiente de Poisson parecidos. Figura Gráfico Tensión-Deformación P2 FV Tracción

126 102 Caracterización de los materiales En la Tabla 4-11 se muestra el Módulo de Elasticidad longitudinal de cada probeta, así como el Módulo de Poisson obtenido con la medida de la deformación longitudinal y transversal. Además, se detalla la media, la desviación estándar y el coeficiente de variación. (GPa) (GPa) sin capas exteriores P P P P P Media Desviación Estándar Coeficiente de Variación (%) Tabla Resultados experimentales FV 0 Tracción (Rigidez) En la Figura 4-39 se muestran las curvas de tensión frente a desplazamiento de la cruceta de cada probeta, observándose un crecimiento casi lineal de la carga hasta que se produce la rotura de la probeta, momento en que la carga cae drásticamente. Figura Gráfica Tensión-Desplazamiento de la cruceta ensayos de tracción FV 0

127 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 103 Los valores de resistencia a tracción se muestran en la Tabla (MPa) (MPa) sin capas exteriores P P P P P Media Desviación Estándar Coeficiente de Variación (%) Tabla Resultados experimentales FV 0 Tracción (Resistencia) Como se observa en la Figura 4-40, la rotura de las probetas se ha producido cerca de la cogida de las mordazas, produciéndose delaminación de las mismas. Figura Roturas a tracción probetas FV 0

128 104 Caracterización de los materiales Ensayo de Tracción Fibras a 90 Se aplica la carga según la dirección normal a las fibras. Para la medida de la deformación se ha utilizado un extensómetro, como se muestra en la Figura Figura Realización ensayo de tracción FV 90 En la Figura 4-42 se representa la curva de tensión frente a deformación longitudinal de cada probeta (deformación en la dirección de aplicación de la carga). Figura Gráfico Tensión-Deformación longitudinal ensayo de tracción FV 90

129 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 105 En la Tabla 4-13 se muestra el Módulo Elástico y la resistencia a la tracción en dirección transversal ( ) de cada probeta, así como los valores estadísticos. (GPa) (GPa) sin capas exteriores (MPa) (MPa) sin capas exteriores P P P P P Media Desviación Estándar Coeficiente de Variación (%) Tabla Resultados experimentales FV 90 Tracción Como se observa en la Figura 4-42 y en la Tabla 4-13, los valores obtenidos en la probeta 5 son más elevados que los obtenidos en el resto de probetas. Esto se debe a que la fabricación de dicha probeta se realizó después que las otras, tras producirse varias actualizaciones del firmware de la impresora, mejorando la deposición de la fibra y el acabado superficial, influyendo en su comportamiento mecánico. En la Figura 4-43se muestra el acabado de la probeta 1, que se realizó a los pocos días de poner en marcha la impresora, y el acabado de la probeta 6, tras la mejora de diversos parámetros de la impresora. Figura Comparación de acabado superficial de las probetas En la Figura 4-44 se muestra la rotura de cada probeta, observándose que no se produce la separación longitudinal de las mismas, ya que la rotura se produce por la matriz y las capas exteriores de nailon dificultan dicha separación.

130 106 Caracterización de los materiales Figura Roturas a tracción probetas FV 90 Ensayo de Tracción Fibra a ±45 En la Figura 4-45 se muestra la realización del ensayo a tracción con las fibras a ±45. Figura Realización ensayo de tracción FV ±45 En la Figura 4-46 se representa la curva de tensión frente a deformación angular de cada probeta ( ). Se observa que poseen un comportamiento parecido, produciéndose mayor dispersión a medida que aumenta la carga.

131 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 107 Figura Gráfico Tensión-Deformación angular ensayo de tracción FV ±45 En la Tabla 4-14 se muestra el valor del Módulo de Cizalladura Intralaminar ( de cada probeta, calculado según la norma UNE-EN ISO [14] entre 1000 µγ y 5000 µγ, junto con los valores estadísticos. (GPa) (GPa) sin capas exteriores P P P P P Media Desviación Estándar Coeficiente de Variación (%) Tabla Resultados experimentales FV ±45 Tracción (Rigidez)

132 108 Caracterización de los materiales En la Figura 4-47 se muestran las curvas de rotura, representándose la tensión frente al desplazamiento de la cruceta. Todas las curvas presentan un comportamiento similar, observándose un primer tramo casi lineal que se curva para dar paso a otro tramo lineal con menor pendiente que el anterior, hasta alcanzarse el valor máximo de carga, momento en que la curva cae drásticamente. Figura Gráfica Tensión-Desplazamiento de la cruceta ensayos de tracción FV ±45 En la Tabla 4-15 se muestran los valores de resistencia a cortadura intralaminar (S) de cada probeta. (MPa) (MPa) sin capas exteriores P P P P P Media Desviación Estándar Coeficiente de Variación (%) Tabla Resultados experimentales FV ±45 Tracción (Resistencia)

133 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 109 En la Figura 4-48 se muestra la rotura de las probetas, observándose que el fallo se origina en zonas diferentes en cada probeta, produciéndose la rotura en la zona de la cogida de las mordazas sólo en la probeta 4. Destaca la estricción que se produce en la zona central de las probetas al ser sometidas a cargas de tracción, debido al efecto tijera, en el que las fibras tienden a alinearse con la carga. Figura Roturas a tracción probetas FV ±45 Como se observa en la Figura 4-49, la sección de la rotura tiene forma de V o ángulo de 45, aunque en unas probetas más acentuada que en otras. En la zona de fallo se pueden observar las hebras de la fibra de vidrio. Figura Detalle rotura probetas FV ±45

134 110 Caracterización de los materiales Ensayo de compresión Fibras a 0 En la Figura 4-50 se muestra la realización del ensayo de compresión con el dispositivo necesario. Figura Realización ensayo de compresión FV 0 En la Figura 4-51 se representa la tensión frente a la deformación longitudinal de cada probeta, observándose el mismo comportamiento en todas ellas y existiendo poca dispersión. Figura Gráfico Tensión-Deformación longitudinal ensayo de compresión FV 0

135 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 111 En la Tabla 4-16 se muestra el valor del módulo elástico de compresión de cada probeta, calculado entre 500 µε y 2500 µε, según la norma UNE-EN ISO [16]. En este caso no se ha hecho uso de la norma ASTM D6641 [15] porque sólo se obtuvieron datos de deformaciones hasta µε, por lo que se ha estimado oportuno utilizar otra norma que considere dicho rango de valores. (GPa) (GPa) sin capas exteriores P P P P P Media Desviación Estándar Coeficiente de Variación (%) Tabla Resultados experimentales FV 0 Compresión (Rigidez) En la Figura 4-52 se muestra la curva de tensión frente a desplazamiento de la cruceta de cada probeta. Se observa un primer tramo de crecimiento de la carga acentuado hasta llegar al valor máximo de tensión, a partir del cual la carga va disminuyendo produciéndose sucesivos picos de carga. Figura Gráfica Tensión-Desplazamiento de la cruceta ensayos de compresión FV 0

136 112 Caracterización de los materiales En la Tabla 4-17 se muestran los valores de la resistencia a la compresión en dirección longitudinal ( cada probeta. de (MPa) (MPa) sin capas exteriores P P P P P Media Desviación Estándar Coeficiente de Variación (%) Tabla Resultados experimentales FV 0 Compresión (Resistencia) En la Figura 4-53 se muestra el fallo producido, observándose que no se produce rotura en sí, si no que se produce aplastamiento de la probeta en uno de los extremos. Figura Roturas a compresión probetas FV 0 Relacionando las curvas de la Figura 4-52 y el tipo de fallo producido, se concluye que para obtener la resistencia a compresión de las probetas se les debe poner tacones, según establecen las normas para ensayos de compresión, para que la rotura se produzca en la zona central, evitando el aplastamiento de los bordes de la probeta.

137 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos Compuesto de fibra de carbono Ensayo de tracción - Fibras a 0 En la Figura 4-54 se muestra la realización del ensayo de tracción de las probetas de material compuesto de fibra de carbono. Figura Realización ensayo de tracción FC 0 En la Figura 4-55 se representa la tensión frente a la deformación longitudinal de cada probeta, observándose el mismo comportamiento en todas las probetas. Figura Gráfico Tensión-Deformación longitudinal ensayo de tracción FC 0

138 114 Caracterización de los materiales En la Figura 4-56 se representa la tensión frente a la deformación longitudinal y transversal (se ha dibujado en valor absoluto) de la probeta 5 para evaluar el Coeficiente de Poisson. Para el resto de probetas el comportamiento de ε 11 y ε 22 es similar, obteniendo valores parecidos del coeficiente de Poisson. Figura Gráfico Tensión-Deformación P5 FC En la Tabla 4-18 se muestra el valor del Módulo Elástico, calculado entre 1000 µε y 3000 µε (ASTM D3039 [13]), así como el coeficiente de Poisson obtenido a partir de la deformación longitudinal y la deformación transversal. (GPa) (GPa) sin capas exteriores P P P P P Media Desviación Estándar Coeficiente de Variación (%) Tabla Resultados experimentales FC 0 Tracción (Rigidez)

139 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 115 En la Figura 4-57 se representa la tensión frente al desplazamiento de la cruceta de cada probeta. Se observa un primer tramo de estabilización (hasta el 5-10% de la carga máxima), dando paso a un tramo casi lineal hasta alcanzarse la carga máxima, momento en el que se produce la rotura de la probeta y la curva cae drásticamente. En las probetas 2 y 3 la rotura total de la probeta se produce en el segundo pico de carga, aunque la carga máxima se alcanza en el primer pico. Figura Gráfica Tensión-Desplazamiento de la cruceta ensayos de tracción FC 0 El valor de la resistencia a tracción en dirección longitudinal de cada probeta se muestra en la Tabla (MPa) (MPa) sin capas exteriores P P P P P Media Desviación Estándar Coeficiente de Variación (%) Tabla Resultados experimentales FC 0 Tracción (Resistencia)

140 116 Caracterización de los materiales Los resultados obtenidos demuestran que el ponerle tacones a las probetas no ha contribuido a obtener mejores valores de la resistencia a tracción. En la Figura 4-58 se muestra la rotura de las probetas, observándose que en todas se produce el fallo cerca de la cogida de las mordazas (en el borde de los tacones). Figura Roturas a tracción probetas FC 0 Ensayo de compresión Fibras a 0 En la Figura 4-59 se muestra la realización del ensayo de comprensión para las probetas de material compuesto de fibra de carbono. Figura Realización ensayo de compresión FC 0

141 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 117 En la Figura 4-60 se representa la tensión frente a la deformación longitudinal (en valor absoluto) de cada probeta, observándose que todas ellas poseen prácticamente la misma pendiente. Figura Gráfico Tensión-Deformación longitudinal ensayo de compresión FC 0 En la Tabla 4-20 se muestra el valor del Módulo Elástico obtenido entre 1000 µε y 3000 µε según la norma ASTM D6641 [15]. (GPa) (GPa) sin capas exteriores P P P P P Media Desviación Estándar Coeficiente de Variación (%) Tabla Resultados experimentales FC 0 Compresión (Rigidez)

142 118 Caracterización de los materiales Para obtener la resistencia a compresión, inicialmente se ensayaron dos probetas de las ensayadas para obtener el módulo elástico. En la Figura 4-61 se muestran las curvas obtenidas, observándose un primer tramo casi horizontal hasta que la probeta empieza a soportar carga, momento en que la carga comienza a aumentar hasta que se alcanza su valor máximo, tras el cual que se van produciendo sucesivos picos. Figura Gráfica Tensión-Desplazamiento de la cruceta ensayos de compresión FC 0 (sin tacones) Los valores de la resistencia a compresión se muestran en la Tabla (MPa) (MPa) sin capas exteriores P P Media Desviación Estándar Coeficiente de Variación (%) Tabla Resultados experimentales FC 0 Compresión (Resistencia, probetas sin tacones)

143 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 119 En la Figura 4-62 se muestra el modo de fallo de las probetas, observándose aplastamiento de las mismas por uno de los extremos. Figura Roturas a compresión probetas FC 0 (sin tacones) Tras el modo de fallo producido en las probetas sin tacones, se decidió fabricar nuevas probetas a las que se les incorporaron tacones para que la rotura se produjera por el centro evitando el fenómeno de aplastamiento. En la Figura 4-63 se muestran las curvas de tensión frente a desplazamiento de la cruceta de las probetas con tacones, observándose un primer tramo de estabilización, seguido de un tramo casi lineal de crecimiento de la carga hasta que se alcanza el valor máximo de carga, momento en que se produce la rotura de la probeta y la curva cae drásticamente. Figura Gráfica Tensión-Desplazamiento de la cruceta ensayos de compresión FC 0 (con tacones)

144 120 Caracterización de los materiales El valor de la resistencia a compresión se muestra en la Tabla (MPa) (MPa) sin capas exteriores P1-tac P2-tac P3-tac P4-tac Media Desviación Estándar Coeficiente de Variación (%) Tabla Resultados experimentales FC 0 Compresión (Resistencia, probetas con tacones) En la Figura 4-64 se muestra la rotura de las probetas 1 a 4 de izquierda a derecha, observándose que el fallo se produce en la zona central, que es lo deseable. Figura Figura Roturas a compresión probetas FC 0 (con tacones)

145 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 121 Comparando las curvas de las probetas sin tacones (Figura 4-61) y con tacones (Figura 4-63), se observa que en las probetas con tacones el fallo está claramente definido, cayendo la carga tras el mismo, mientras que en las probetas sin tacones, al alcanzarse la carga máxima, se van produciendo picos de carga sin tener un sentido claro ascendente o descendente de la carga, debido al aplastamiento de la probeta. En cuanto al modo de fallo, el deseable es el que se produce en las probetas con tacones, siendo una rotura drástica y clara que se produce en la zona central de la probeta Nailon Ensayos de tracción Para obtener el módulo elástico del nailon se ha ensayado a tracción una probeta con cada tipo de mallado (rectangular, triangular y hexagonal) y con distintas densidades del mallado: 100% y 20%. Para la medida de las deformaciones se ha utilizado un extensómetro, como se muestra en la Figura Figura Realización ensayo de tracción probetas de nailon En la Figura 4-67 se representa la curva de tensión frente a deformación longitudinal (en la dirección de aplicación de la carga) de las probetas con densidad del mallado del 100%, observándose que el mallado rectangular es bastante más rígido que el triangular y hexagonal, mostrando estos dos último una pendiente muy similar. Figura Gráfico Tensión-Deformación probetas de nailon con densidad del mallado del 100%

146 122 Caracterización de los materiales En la Figura 4-68 se representan las curvas de las probetas con densidad del mallado del 20%, observándose que el mallado triangular es el que presenta mayor rigidez. Además, se observa que la representación de cada curva no tiene una línea bien definida, apareciendo dispersión de puntos, debido a que la escasa rigidez de las probetas provoca que la carga aumente levemente y de forma irregular a medida que aumenta el desplazamiento de la cruceta. Figura Gráfico Tensión-Deformación probetas de nailon con densidad del mallado del 20% En la Tabla 4-23 se muestran los valores de rigidez del nailon según el tipo de mallado y la densidad del mismo. Tipo de mallado E (MPa) Densidad 100% E (MPa) Densidad 20% Rectangular Triangular Hexagonal Tabla Resultados experimentales probetas de nailon (Rigidez) Resumen caracterización de material y comparación con datasheet Mark One Tras el análisis de la campaña de ensayos realizada, se muestra un resumen con las características obtenidas de cada material en valor medio, y la comparación con los valores proporcionados por la empresa MarkForged en el datasheet de la impresora. En dicho datasheet no se especifica si se ha tenido en cuenta el espesor de las capas exteriores de nailon, por lo que se hace un análisis con dichos valores y con los resultados obtenidos considerando el espesor total de las probetas y sin considerar el espesor de las capas exteriores de nailon. En la Tabla 4-24 se muestran las propiedades mecánicas obtenidas del compuesto de fibra de vidrio. Se observa que los valores obtenidos en la campaña de ensayos son muy similares o superiores a los proporcionados por la empresa MarkForged, excepto la resistencia a compresión, que es casi la mitad. Esto puede deberse a que se deben poner tacones para ensayar a compresión las probetas hasta carga última.

147 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 123 COMPUSTO DE FIBRA DE VIDRIO Características a Tracción Con espesor total Sin espesor de capas exteriores de nailon MarkForged (GPa) (GPa) , (GPa) (MPa) (MPa) (MPa) Características a Compresión (GPa) (MPa) Tabla Resumen de las propiedades mecánicas del compuesto de fibra de vidrio En la Tabla 4-25 se muestran las propiedades mecánicas del compuesto de fibra de carbono, observándose que los valores del Módulo Elástico a compresión y a tracción son similares o superiores a los del datasheet, sin embargo la resistencia a tracción y a compresión son inferiores. COMPUESTO DE FIBRA DE CARBONO Características a Tracción Con espesor total Sin espesor de capas exteriores de nailon MarkForged (GPa) (MPa) Características a Compresión (GPa) (MPa) Tabla Resumen de las propiedades mecánicas del compuesto de fibra de carbono

148 124 Caracterización de los materiales En la Tabla 4-26 se muestran las características mecánicas del nailon. En el datasheet de la impresora no se específica la densidad ni el tipo de mallado de la probeta de ensayo, por lo que se ha supuesto el caso más favorable: máxima densidad (100%) y mallado más rígido (rectangular). Comparando dicho valor con el obtenido en la campaña de ensayos, se observa que son muy similares. NAILON Tipo de mallado E (MPa) Densidad 100% E (MPa) Densidad 20% E (MPa) MarkForged Rectangular Triangular Hexagonal Tabla Resumen de las propiedades mecánicas del nailon 4.2 Ensayos de caracterización física Para la caracterización física de los materiales se ha realizado el ensayo de determinación del contenido de fibra y resina. Con este ensayo se pretende determinar el porcentaje en peso de fibra y resina de los filamentos de compuesto, mediante el procedimiento de calcinación. Inicialmente se probó a extraer la resina del filamento de compuesto de carbono mediante digestión con disolvente, pero la matriz termoplástica no se disolvía, por lo que se optó por el procedimiento de calcinación. Los pasos seguidos para la extracción de la resina mediante calcinación se detallan a continuación: Se pesan en una balanza de precisión los cuencos donde se van a depositar las distintas muestras de filamento de fibra (Figura 4-69). Para la fibra de vidrio se han tomado cuatro muestras y para la de carbono tres. A continuación se vuelven a pesar los cuencos con los filamentos en su interior. Figura Balanza de precisión Se introducen los cuencos con las muestras en un horno mufla a una temperatura de 565 C durante una hora y media aproximadamente (Figura 4-70), hasta que se produce la calcinación de la resina.

149 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 125 Figura Calcinación en horno mufla Tras la calcinación y una vez que se han enfriado los cuencos, se vuelven a pesar. Con los valores de las tres pesadas realizadas se obtiene el porcentaje en peso de fibra y resina. En la Tabla 4-27 se muestran los valores obtenidos para el filamento de fibra de vidrio. % Fibra de vidrio % Resina Muestra Muestra Muestra Muestra MEDIA Tabla Porcentaje de fibra y resina del filamento de compuesto de fibra de vidrio En la Figura 4-71 se observa el filamento de compuesto de fibra vidrio (fibra + matriz termoplástica) y el mismo filamento tras producirse la pirolisis, apreciándose las hebras de la fibra de vidrio. Antes Después Figura Filamento de compuesto de fibra de vidrio antes y después de calcinación

150 126 Caracterización de los materiales En la Tabla 4-28 se muestra el porcentaje de fibra y de resina del filamento de compuesto de fibra de carbono. % Fibra de carbono % Resina Muestra Muestra Muestra MEDIA Tabla Porcentaje de fibra y resina del filamento de compuesto de fibra de carbono En la Figura 4-72 se observa el filamento de compuesto de fibra de carbono antes y después de la calcinación, observándose las hebras de fibra de carbono tras la eliminación de la resina. Antes Después Figura Filamento de compuesto de fibra de vidrio antes y después de calcinación 4.3 Microscopía Mediante la técnica de microscopía se ha analizado el material, determinando el tamaño de capas y fibras, así como el volumen de huecos en porcentaje. Para dicho análisis, se han embutido varios fragmentos de piezas fabricadas con filamento compuesto de fibra de vidrio y filamento compuesto de fibra de carbono, como se observa en la Figura Figura Embutición de piezas de material compuesto de fibra de vidrio y fibra de carbono

151 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 127 En los siguientes apartados se muestra el análisis microscópico de cada muestra, según el tipo de material Compuesto de fibra de vidrio En la Figura 4-74 se muestra la microscopía con 100 aumentos (x100) de un laminado de fibra de vidrio con una configuración [0/90/45/-45]s, observándose las capas con diferentes orientaciones de la fibra, así como grandes áreas de acumulación de resina y porosidad en determinadas zonas. Figura Microscopía x100 compuesto de fibra de vidrio En la Figura 4-75 se ha realizado el análisis con 200 aumentos, y se ha medido el espesor de una capa con la fibra a 90 (95.5 µm) y dos capas con la fibra a 0 (173 µm), así como el diámetro de la fibra de vidrio (7.87 µm). El espesor teórico de las capas de fibra de vidrio es de 100 µm, por lo que el valor real se aproxima a dicho valor Figura Microscopía x200 compuesto de fibra de vidrio

152 128 Caracterización de los materiales Se ha analizado un laminado unidireccional, con las fibras a 0, como se muestra en la Figura Se observa menos acumulación de resina y menos porosidad que en las anteriores microscopías (Figura 4-74 y Figura 4-75). Esto puede deberse a que ésta última pieza se ha realizado tras varias actualizaciones del firmware de la impresora, mejorando la compactación del material. En la zona superior se observa claramente la capa exterior de nailon. Figura Microscopía x100 compuesto de fibra de vidrio unidireccional Compuesto de fibra de carbono En la Figura 4-77 y Figura 4-78 se observa gran dispersión de las fibras y zonas con grandes acumulaciones de resina, así como porosidad. Se ha medido el espesor de la capa exterior de nailon, siendo 139 µm en dicha zona, aunque puede variar debido a la deposición del material y al corte realizado en la pieza para la embutición. El espesor teórico de las capas de nailon con fibra de carbono es de 125 µm.

153 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 129 Figura Microscopía x100 compuesto de fibra de carbono unidireccional (1) Figura Microscopía x100 compuesto de fibra de carbono unidireccional (2)

154 130 Caracterización de los materiales Determinación del volumen de huecos Se ha determinado el volumen de huecos, en porcentaje, de 3 muestras de material compuesto de fibra de carbono fabricadas con la impresora 3D, a través de la técnica de microscopía. Para el análisis, se ha tomado la muestra y se ha fragmentado en áreas, determinando el porcentaje de porosidad de cada una y realizando una media para obtener el volumen de huecos total de la muestra. En los siguientes apartados se presentan una vista general de la muestra en estudio junto algunas áreas analizadas Muestra 1 En la Figura 4-79 se presenta la vista general de la Muestra 1 analizada. Figura Volumen de huecos - Vista general Muestra 1 En la Figura 4-80 se muestran varias áreas de la pieza en estudio, con aumento x20, junto con el porcentaje de porosidad de cada una. Porosidad: 7.3 % Porosidad: 9.8 % Porosidad: 15 % Porosidad: 22.8 % Figura Volumen de huecos - áreas individuales Muestra 1

155 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 131 El porcentaje de porosidad de la Muestra 1 es 15.5 % Muestra 2 En la Figura 4-81 se presenta la vista general de la Muestra 2 analizada. Figura Volumen de huecos - Vista general Muestra 2 En la Figura 4-82 se muestran varias áreas de la pieza en estudio, con aumento x20, junto con el porcentaje de porosidad. Porosidad: 5.3 % Porosidad: 7.4 % Porosidad: 9.5 % Porosidad: 9.9 % Figura Volumen de huecos - áreas individuales Muestra 2 El porcentaje de porosidad de la Muestra 2 es 8.9 %.

156 132 Caracterización de los materiales Muestra 3 En la Figura 4-83 se presenta la vista general de la Muestra 3 analizada. Figura Volumen de huecos - Vista general Muestra 3 En la Figura 4-84 se muestran varias áreas de la pieza en estudio, con aumento x20, junto con el porcentaje de porosidad. Porosidad: 7.3 % Porosidad: 10.2 % Porosidad: 13.7 % Porosidad: 18.1 % Figura Volumen de huecos - áreas individuales Muestra 3 El porcentaje de porosidad de la Muestra 3 es 11.6 %.

157 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos Resumen del volumen de huecos de un laminado de material compuesto de fibra de carbono En la Tabla 4-29 se muestra un resumen con el volumen de huecos de cada muestra analizada así como la media de las tres muestras. Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3 Media % Porosidad Tabla Volumen de huecos Se observa que la porosidad de las piezas de compuesto de fibra de carbono fabricadas con la impresora 3D es muy elevada, superando el máximo admisible para piezas aeronáuticas, que está en torno al 2% de porosidad.

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159 Capítulo 5 5. APLICACIONES

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161 En este capítulo se presentan varias piezas realizadas así como diversas aplicaciones de la fabricación de piezas con la impresora 3D Mark One. 5.1 Piezas con soportes Se han diseñado distintas piezas con zonas en voladizo, en cuya realización se requiere el uso de soportes de nailon. A continuación se detallan las características de dichas piezas: Probeta con tacones de fibra de vidrio Se ha fabricado una probeta de fibra de vidrio con tacones, realizada en su totalidad por la impresora. Para ello se ha diseñado en CATIA la probeta con los tacones incluidos, como se muestra en la Figura 5-1. Figura 5-1. Diseño 3D probeta con tacones El laminado es unidireccional, con las fibras a 0 y de 2 mm de espesor; los tacones tienen un espesor de 1.5 mm con las fibras orientadas a ±45 con respecto a la dirección de aplicación de la carga (Figura 5-2). Por lo tanto en Eiger se han configurado las 15 primeras capas y las 15 últimas con configuración [+45/-45], y las 20 capas que forman el laminado unidireccional con dirección de la fibra a 0. Figura 5-2. Fabricación probeta FV con tacones Debido al diseño de la probeta, la impresora añade soportes de nailon en las zonas en voladizo (longitud de span de la probeta) como se observa en la Figura 5-3 izquierda. Dichos soportes se han eliminado con pinzas una vez que la pieza ha sido extraída de la cama de impresión (Figura 5-3, derecha). 137

162 138 Aplicaciones Figura 5-3. Soportes en probeta FV con tacones En la Figura 5-4 se muestra la probeta fabricada, una vez eliminados los soportes. Cabe destacar que el tiempo de fabricación ha sido de 4h 24 min. Figura 5-4. Probeta FV con tacones Esfera hueca de nailon Se ha fabricado una esfera hueca con un pequeño orificio, como se observa en la Figura 5-5. Figura 5-5. Fabricación esfera hueca de nailon

163 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 139 Para su fabricación han sido necesarios el uso de soportes externos en la base e internos, como se muestra en la Figura 5-6 y Figura 5-7. Soportes internos Figura 5-6. Soportes internos esfera hueca de nailon Figura 5-7. Soportes externos esfera hueca de nailon Una vez fabricada la esfera se quitan los soportes. El de la base fue fácilmente eliminado con la mano, sin embargo, la extracción de los soportes internos fue más complicada, debido al pequeño orificio a través del cual tenían que ser eliminados (Figura 5-8). Figura 5-8. Eliminación de soportes de la esfera hueca de nailon En la Figura 5-9 se muestra el diseño en Eiger y la esfera final fabricada, tras la extracción de los soportes. Se observa la precisión de la impresora en la fabricación y el buen acabado superficial.

164 140 Aplicaciones Pieza de nailon con forma de V Figura 5-9. Esfera hueca de nailon Se ha fabricado una pieza con forma de V, cuya diseño ha requerido el uso de soportes, como se muestra en la Figura Figura Fabricación pieza de nailon en forma de V Los soportes tienen forma de acordeón, como se observa en la Figura 5-11 y se han extraído con facilidad, ya que no estaban adheridos totalmente a los bordes de la pieza (Figura 5-12). Figura Detalle de los soportes de pieza en V Figura Pieza de nailon en forma de V con soportes

165 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos Moldes de nailon para autoclave Se han realizado varias piezas de nailon con el objetivo de utilizarlas como molde para fabricar piezas en autoclave. Dichos moldes se han sometido a distintos ciclos de curado, variando la temperatura y la presión para analizar las propiedades del material antes y después del curado Molde semi-esférico Se ha diseñado una pieza maciza cilíndrica con un diámetro exterior de 70 mm y con un orificio semi-esférico en la parte superior, que servirá de molde, como se muestra en el diseño importado a Eiger de la Figura Figura Diseño del molde semi-esférico de nailon La configuración de las propiedades del molde ha sido mallado triangular con densidad del 100%. El tiempo de fabricación ha sido 7 h 44 min (Figura 5-14). Figura Fabricación del molde semi-esférico de nailon En la Figura 5-15 se muestra el molde una vez extraído de la cama de impresión. Se observa la precisión dimensional y el excelente acabado superficial.

166 142 Aplicaciones Figura Molde semi-esférico de nailon Las dimensiones del molde tras su fabricación se muestran en la Tabla 5-1. D exterior (mm) D interior (mm) Altura (mm) Tabla 5-1. Control dimensional del molde semi-esférico de nailon Para analizar las propiedades de material cuando se somete a temperatura y presión se ha utilizado como molde la parte esférica y se ha sometido a distintos ciclos curado, como se detalla en los siguientes apartados Curado a 120 C y 7 bares de presión Se ha moldeado una lámina de tejido de fibra de vidrio sobre la parte esférica del molde. Para ello se ha puesto una lámina desmoldeante de nailon para que tras el curado se pueda extraer fácilmente la lámina curada. A continuación se ha realizado la bolsa de vacío (Figura 5-16) y se ha introducido en el autoclave donde ha sido sometido a un ciclo de curado a 120 C y 7 bares de presión. Figura Bolsa de vacío molde semi-esférico En la Figura 5-17 se muestra el molde de nailon tras el curado junto con la lámina de fibra de vidrio curada. Se observa que la lámina curada adquiere con bastante precisión la forma del molde. Además, el molde no se ha deformado tras ser sometido a la temperatura y presión especificadas.

167 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 143 Figura Curado de fibra de vidrio en el molde semi-esférico Curado a 180 C y 7 bares de presión Para someter el molde a unas condiciones más severas de temperatura y analizar sus propiedades, se han laminado sobre el mismo varias capas de prepregs de fibra de carbono, y se han sometido a un ciclo de curado a 180 C y 7 bares de presión. Para ello se ha puesto una lámina desmoldeante de nailon para que tras el curado se pueda extraer fácilmente la lámina curada, como se muestra en la Figura 5-18, y a continuación se ha realizado la bolsa de vacío. Figura Laminación de fibra de carbono sobre molde semi-esférico En la Figura 5-19 se muestra el molde tras el ciclo de curado. Se observa que, al ser sometido a la temperatura y presión especificadas, las paredes del molde se han contraído y por ello no se han podido extraer las láminas de fibra de carbono curadas. Figura Molde semi-esférico tras el curado a 180 C

168 144 Aplicaciones En la Figura 5-20 se observa el molde inicial y tras ser sometido a un ciclo de curado a 180 C y 7 bares de presión, observándose la deformación experimentada. Figura Comparación del molde de semi-esférico antes y después de ciclo de curado a 180 C Se ha hecho un control dimensional antes y después de la deformación, tomando medidas en varios puntos del molde, como se muestra en la D 1 D 2 D 3 Figura Control dimensional del molde semi-esférico En la Tabla 5-2 se muestran las dimensiones del molde de nailon semi-esférico antes y después del curado. D 1 (mm) D 2 (mm) D 3 (mm) Altura (mm) Antes de curado Después de curado Tabla 5-2. Control dimensional molde semi-esférico antes y después del curado

169 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos Molde en escalón Se ha fabricado una pieza de nailon con dos bases a distinta altura, con mallado triangular y densidad del mismo del 100%, como se muestra en la Figura Figura Molde en escalón de nailon Se han laminado varias capas de prepregs de fibra de carbono sobre el mismo y se ha curado a 180 C y 7 bares de presión. En la Figura 5-23 se muestra la bolsa de vacío con la pieza tras el curado. Figura Bolsa de vacío tras el curado del molde en escalón En la se muestra la pieza de nailon con las láminas de fibra de carbono moldeadas tras el curado, observándose que reproducen bastante bien la forma del molde. Figura Fibra de carbono curada sobre molde en escalón

170 146 Aplicaciones Como ocurría con el molde semi-esférico, al someter el molde en escalón a 180 C se ha deformado, como se observa en la Figura 5-25 antes y después del curado. Además, al someter a temperatura el nailon se oscurece adquiriendo un color amarillento. Figura Molde en escalón antes y después del curado Rigidizador con forma de Ω Se ha diseñado en CATIA el molde a escala de un rigidizador con forma de Ω, cuya forma y dimensiones se muestran en la Figura Figura Diseño molde rigidizador en Ω En la Figura 5-27 se muestra el molde ya fabricado, observándose la precisión de impresión con unas dimensiones tan reducidas (Figura 5-28).

171 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 147 Figura Molde rigidizador en Ω (vista en planta) Figura Forma Ω del rigidizador El objetivo es obtener un rigidizador de tejido de fibra de carbono, por lo que se han laminado varias capas de tejido sobre el molde y se han sometido a un ciclo de curado a 120 C y 7 bares de presión. Tras el curado, la bolsa de vacío del rigidizador se muestra en la Figura Bolsa de vacío molde rigidizador tras el curado Tras dos horas de curado, el rigidizador de fibra de carbono resultante es el que se muestra en la Figura 5-30, observando que se ha doblado debido al efecto de las tensiones residuales. Figura Rigidizador de fibra de carbono

172 148 Aplicaciones En la Figura 5-31 se observa la precisión de la forma que adquieren las láminas de fibra de carbono una vez curadas. Figura Detalle forma en Ω rigidizador de fibra de carbono Conclusiones del efecto del curado Tras someter varias piezas de nailon a ciclos de curado con temperaturas de 120 C y 180 C y a 7 bares de presión, se extraen las siguientes conclusiones: 1. A 120 C las piezas de nailon no se deforman y mantienen sus propiedades originales. 2. A 180 C el nailon pierde sus propiedades originales, deformándose y oscureciéndose. Como desarrollo futuro se recomienda estudiar el efecto de la presión, ya que en este proyecto la variable estudiada ha sido la temperatura. Además, se aconseja incorporar varias capas de filamento compuesto de fibra en la fabricación de los moldes de nylon, para estudiar el comportamiento de los mismos en el proceso de curado. 5.3 Otras piezas de nailon A continuación se muestran diferentes piezas de nailon con distintas geometrías que se han realizado con la impresora. En la Figura 5-32 se muestra la primera pieza que se fabricó con la impresora Mark One tras su puesta a punto. Figura Primera pieza de nailon fabricada con la impresora 3D

173 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 149 En la Figura 5-33 se muestra un cuadrado macizo de nailon con mallado triangular y densidad del 100%. Se observa la precisión dimensional de la pieza, pudiendo utilizarse como de escuadra. Figura Pieza cuadrada de nailon En la Figura 5-34 se presenta el diseño original del logo del Grupo de Elasticidad y Resistencia de Materiales y su reproducción en 3D, observándose la precisión en el diseño. La configuración ha sido mallado hexagonal con densidad del 100%. Figura Logo GERM en 3D de nailon En la Figura 5-35 se muestra el logo de la empresa TEAMS. Su configuración ha sido mallado triangular con 100% de densidad. Figura Logo TEAMS en 3D de nailon Destacar que no se deben diseñar la base y las letras por separado, ya que en el software Eiger cada pieza por separado se coloca sobre la cama de impresión, por lo que las letras no se apoyarían sobre la base.

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175 Capítulo 6 6. CONSIDERACIONES Y ASPECTOS A DESTACAR

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177 En este apartado se presentan diferentes consideraciones a tener en cuenta sobre el funcionamiento de la impresora, así como incidencias que pueden producirse y aspectos que durante su puesta en marcha se han ido observando. 6.1 Tiempo de fabricación En el Software Eiger se indica el tiempo de fabricación estimado de las piezas unas vez que han sido configuradas. Sin embargo, el tiempo real varía respecto el estimado según el tipo de material empleado. Se ha ido realizando un seguimiento del tiempo estimado y el tiempo real de cada pieza, para obtener un coeficiente de proporcionalidad. A continuación, se detallan las piezas que se han fabricado a lo largo de este Proyecto Fin de Carrera, estando clasificadas según el tipo de material. Se muestra el tiempo estimado en Eiger y el real, junto con el coeficiente entre ambos (real/estimado). Así mismo, se detallan los valores estadísticos para cada tipo de material: compuesto de fibra de carbono (Tabla 6-1), compuesto de fibra de vidrio (Tabla 6-2), nailon (Tabla 6-3) y construcciones (Tabla 6-4). Construcciones hace referencia a la realización de varias piezas de distinto material en una misma impresión. PIEZAS DE FIBRA DE CARBONO Pieza Estimado (min) Real (min) Coeficiente Media 0.61 Desviación 0.13 CV Tabla 6-1. Tiempo de fabricación de las piezas de compuesto de fibra de carbono 153

178 154 Consideraciones y aspectos a destacar PIEZAS DE FIBRA DE VIDRIO Pieza Estimado (min) Real (min) Coeficiente Media 3.83 Desviación 0.97 CV (%) Tabla 6-2. Tiempo de fabricación de las piezas de compuesto de fibra de vidrio

179 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 155 PIEZAS DE NAILON Pieza Estimado (min) Real (min) Coeficiente Media 0.92 Desviación 0.14 CV (%) Tabla 6-3. Tiempo de fabricación de las piezas de nailon

180 156 Consideraciones y aspectos a destacar CONSTRUCCIONES Pieza Eiger (min) Real (min) Coeficiente 2 y , 14, A Media 3.13 Desviación 1.35 CV Tabla 6-4. Tiempo de fabricación de las construcciones Se observa que para un mismo tipo de material, hay mucha variación del coeficiente de proporcionalidad entre las piezas, ya que el coeficiente de variación es elevado. Por ello, no se puede establecer un criterio para saber la causa de la desviación del tiempo real respecto al estimado. En la Tabla 6-5 se muestra un resumen del coeficiente fabricadas. según el material de las piezas Nailon Fibra de vidrio Fibra de carbono Construcciones Coeficiente Tabla 6-5. Resumen tiempo de fabricación

181 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos Durante la fabricación - Durante su operación, la impresora emite un sonido característico, que no debe confundirse con un mal funcionamiento del equipo. - La impresora no detecta la falta de filamento, por lo que si durante la fabricación se agota el material, ésta continúa funcionando. Si esto ocurre, se debe pausar la impresión antes de que se agote por completo el material, para poder cargar un nuevo rollo de filamento. Por ello se recomienda hacer un seguimiento de la cantidad de material utilizado en cada impresión. - Al fabricar una pieza con material compuesto, se debe observar si la primera capa de filamento compuesto se adhiere correctamente a la anterior, ya que de lo contrario el filamento seguirá saliendo y se formará una maraña, lo que conlleva el atasco de los tubos de alimentación junto con el desperdicio de material y el tener que volver a cargar el filamento de material compuesto en la impresora. En la Figura 6-1 se observa cómo el compuesto de fibra de vidrio no se adhiere correctamente por los bordes de la pieza. Figura 6-1. Deposición incorrecta de material - Tras mecanizar con sierra de disco de diamante varias piezas fabricadas con compuesto de fibra de carbono y fibra de vidrio, se ha observado que el corte no permite mucha precisión, debido a que se forma rebaba en la sección cortada, por el carácter termoplástico de la matriz, como se muestra en la Figura 6-2. Para eliminar dicha rebaba se pueden usar lija o tijeras. Figura 6-2. Rebaba en el corte de las piezas

182 158 Consideraciones y aspectos a destacar 6.3 Coste de la fabricación aditiva frente a la fabricación tradicional En este apartado se realiza un análisis y comparación del coste de tiempo que supone la fabricación de un panel de fibra de carbono a través de la impresora 3D y mediante la tecnología tradicional de apilado manual y curado en autoclave. La pieza objeto de fabricación es un panel de fibra de carbono unidireccional, de dimensiones 250x65x1 mm. En la Tabla 6-6 y Tabla 6-7 se muestra una estimación del tiempo que supone de realización de cada etapa del proceso de fabricación aditiva (impresora 3D) y del proceso tradicional (apilado y curado en autoclave), respectivamente. Diseño en CATIA del modelo 3D Etapas de la tecnología aditiva Importación del fichero.stl al software de diseño Eiger, y configuración de las propiedades de material del panel. Fabricación del panel en la impresora 3D Extracción de la pieza y limpieza de la cama de impresión Tiempo Total Tiempo 15 min 20 min 6 h 15 min 5 min 6 h 54 min Tabla 6-6. Tiempo de fabricación tecnología aditiva (impresora 3D) Etapas de la fabricación tradicional (apilado + autoclave) Corte y apilado de las láminas de preimpregnado de fibra de carbono Realización de la bolsa de vacío Curado en autoclave Extracción del panel del autoclave, retirada de la bolsa de vacío y limpieza del molde Tiempo Total Tiempo 45 min 30 min 4 h 1 h 6 h 15 min Tabla 6-7. Tiempo de fabricación sistema tradicional (apilado + autoclave) Como se observa en la Tabla 6-6 y Tabla 6-7, el tiempo total de fabricación es muy similar en ambos sistemas de fabricación, por lo que para el mismo tiempo, la fabricación con la impresora 3D es un proceso más cómodo, debido a su alto nivel de automatización, lo que lo convierte en un sistema muy adecuado para la fabricación de prototipos. Sin embargo, para la fabricación de grandes volúmenes de producción, la fabricación en autoclave sería más eficiente, ya que en un mismo ciclo de curado se fabrican varias piezas a la vez.

183 Capítulo 7 7. CONCLUSIONES Y DESARROLLOS FUTUROS

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185 En este capítulo se presentan las conclusiones extraídas tras el desarrollo de este proyecto, así como los desarrollos futuros que se pueden llevar a cabo como continuación del mismo. 7.1 Conclusiones En el desarrollo de este Proyecto se ha llevado a cabo la puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos (impresora 3D), así como la caracterización del material que utiliza. Para su puesta en marcha, se ha analizado cada componente de la impresora y su función, y se ha hecho un estudio de los pasos que hay que seguir desde la concepción del modelo 3D de la pieza a realizar hasta su fabricación. Dentro de estas etapas, se ha analizado el software de diseño (Eiger) para la configuración de las propiedades del material de las piezas. Para la caracterización del material, se han realizado ensayos mecánicos, físicos y microscópicos. Finalmente se han fabricado piezas de geometría tridimensional. Se han extraído diversas conclusiones, detalladas a continuación. Respecto al proceso de fabricación, el uso de la tecnología aditiva para la fabricación de materiales compuestos permite reducir el número de procesos hasta obtener la pieza final, ya que la tecnología utilizada por la impresora (FDM), junto a las características de los materiales empleados (matriz termoplástica), permite que el material sea depositado, compactado y curado al mismo tiempo y de forma instantánea. En cuanto a la deposición del material, se ha observado que la fabricación con filamento compuesto de fibra de carbono está muy limitada, ya que la rigidez de dicho filamento compuesto, junto con las características de fabricación con fibra continua, hacen que no se puedan configurar laminados con una secuencia determinada. Por ello, su uso está más orientado al refuerzo de piezas de nailon. Las piezas tienen un buen acabado superficial tras la fabricación, no necesitando procesos posteriores. Sin embargo, el mecanizado con sierra de disco de diamante no es un sistema adecuado, ya que la matriz termoplástica produce la formación de rebaba en la sección. Respecto al tiempo y coste de fabricación, depende de la complejidad de las piezas a fabricar y del volumen de producción. En el caso de la fabricación tradicional con autoclave, la realización de piezas con un diseño complejo requiere el uso de moldes de elevado coste, lo que conlleva su diseño y fabricación, suponiendo tiempo adicional al proceso de fabricación. Sin embargo, con la impresora 3D se pueden fabricar piezas complejas sin el uso de moldes, lo que supone un importante ahorro de tiempo y coste. En cambio, para grandes volúmenes de producción es más rentable el sistema tradicional, ya que en un mismo ciclo de autoclave se pueden curar varias piezas a la vez, lo que en la impresora 3D supondría realizar por separado cada pieza, incrementando el tiempo de producción. Por ello, la tecnología aditiva está enfocada para la fabricación de prototipos y series cortas de producción. Además, los procesos de fabricación aditiva no son destacados por su velocidad de fabricación y por tanto no se instauran para grandes volúmenes de producción. Dichos procesos se deben usar teniendo en cuenta dónde supone una ventaja su aplicación, no siendo necesaria una fabricación íntegra con tecnología aditiva, pudiendo complementar ésta con otros procesos de fabricación. En cuanto al tamaño de las piezas, está condicionado por las dimensiones de la cama de impresión, lo que limita la fabricación de piezas grandes, ganando terreno en este aspecto la fabricación tradicional. Respecto a la caracterización del material, las propiedades mecánicas de los materiales utilizados son inferiores a las de los materiales compuestos convencionales. Esto puede deberse a que el material compuesto de la impresora está formado por matriz termoplástica, a diferencia de los materiales compuestos tradicionales cuya matriz es termoestable. Además, las capas exteriores de nailon, aunque mejoran el acabado de las piezas, hacen que disminuyan sus propiedades mecánicas. Otro aspecto que influye en las propiedades mecánicas del material es la compactación del mismo. Con la impresora 3D se ha observado que dicha compactación no es 161

186 162 Conclusiones y desarrollos futuros demasiado buena, influyendo la configuración del mallado del compuesto de fibra. Cuando el recorrido entre pasada y pasada es demasiado corto, el filamento no se adhiere correctamente a la capa anterior, provocando la formación de porosidad en la pieza, como se ha observado en las micrografías. 7.2 Desarrollos futuros En este apartado se presentan los trabajos futuros que se pueden llevar a cabo como continuación de este Proyecto fin de carrera Mejoras en el proceso - Introducción de elementos u otros materiales entre capas. El diseño de la pieza tiene que incluir la cavidad del elemento que se quiere incorporar, por lo que hay que realizar el diseño con precisión, para que una vez insertado el elemento y al continuar la impresión, la altura de los inyectores respecto a la capa sobre la que se va a depositar el material sea la adecuada. - La superficie de la cama de impresión se daña con el uso, ya que al quitar las piezas impresas con la espátula se puede rayar la superficie, como se muestra en la Figura 7-1. Superficie dañada Figura 7-1. Daños en la superficie de la cama de impresión Para no tener que adquirir una nueva cama de impresión, comprobar si se puede fijar y cubrir toda la superficie de la cama con una capa de teflón. Habría que considerar diferentes aspectos:. 1. Cómo fijar la capa de teflón para que no se mueva durante la impresión. 2. Si se puede nivelar la cama de impresión con dicha capa de teflón. 3. Comportamiento de la capa base de nailon de las piezas en el teflón: comprobar si se adhiere correctamente y posteriormente se puede quitar la pieza tras la impresión Caracterización del material Deberían fabricarse probetas para la realización de diferentes ensayos: - Probetas de fibra de carbono a 90º para ensayo de compresión. - Probetas de fibra de vidrio a 90º para ensayo de compresión. - Probetas para ensayo de tenacidad a fractura interlaminar, en modo I, modo II, y modo mixto. Dichas probetas se fabrican con fibra unidireccional, generando en ellas una pregrieta para que la grieta se

187 Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos 163 propague en la dirección de la fibra. Para la fabricación se harán paneles de 3 mm de espesor en el caso de fibra de carbono y 5 mm en el caso de fibra de vidrio. Para producir una pregrieta en el plano medio de la probeta, se introduce en uno de los extremos del laminado y perpendicular a la dirección de la fibra, una banda de material delgado y que no se adhiera al composite durante el curado, como es una lámina desmoldeante de nailon. (Figura 7-2). Figura 7-2. Probeta para ensayo de tenacidad a fractura interlaminar En la fabricación de dichas probetas, hay que comprobar diferentes aspectos: 1. La temperatura de los inyectores durante la impresión es de 265 C, por lo que habría que comprobar que al depositar el material extruido, el desmoldeante no se funde. 2. Verificar la correcta nivelación de la cama y la precisión de impresión al colocar el desmoldeante entre capas. Estudiar si el diseño de la pieza tiene que incluir la cavidad donde se va a incorporar el material entre capas o se puede poner directamente. - Probetas para ensayos de fatiga con el fin de obtener la curva S-N del material. - Fabricación de probetas para ensayos de impacto. - Para obtener las propiedades del nailon como un material isótropo, realizar una pieza de nailon, con alguno de los tres mallados posibles (rectangular, triangular o hexagonal), y a continuación se introduce en el horno para fundirlo, obteniendo un volumen de nailon sólido e isótropo Fabricación de piezas - Fabricación de un clip para ensayos de arrancamiento en uniones piel-rigidizador. - Refuerzo de una pieza con bandas de fibra de vidrio y fibra de carbono. Estudio de diferentes formas de realización: 1. Diseñar la pieza con los huecos entre banda y banda, de tal forma que la impresora automáticamente pone soportes en las partes en voladizo. Dichos soportes se eliminarán cuando la pieza esté fabricada (Figura 7-3).

188 164 Conclusiones y desarrollos futuros Fibra de carbono Fibra de vidrio Soportes de nailon Figura 7-3. Pieza con bandas de fibra de vidrio y fibra de carbono 2. Diseñar la pieza con capas continuas, de tal forma que los espacios entre bandas de fibra de vidrio y fibra de carbono se rellenen con capas de nailon, que a diferencia de los soportes, no se podrán eliminar. - Realización de moldes para autoclave con distintas configuraciones de material (solo nailon, nailon reforzado con fibra de vidrio y nailon reforzado con fibra de carbono), estudiando el efecto de la temperatura y la presión. - Envejecimiento del material y obtención de la curva de estabilización (absorción-tiempo). - Realización de piezas combinando distintos materiales (nailon-carbono, nailon-vidrio, carbono-vidrio) y estudio de sus propiedades. - Realización de un tubo de sección circular o rectangular, para estudiar su comportamiento al someterlo a presión interna. - Realización de rigidizadores aeronáuticos, por ejemplo una T.