JUAN FELIPE TORRES VERGEL

Transcripción

1 CARACTERIZACIÓN DE LA RESISTENCIA MECÁNICA A TENSIÓN DEL ÁCIDO POLILÁCTICO/HIDROXIAPATITA POR MANUFACTURA ADITIVA MEDIANTE FABRICACIÓN POR FILAMENTO FUNDIDO (FFF) JUAN FELIPE TORRES VERGEL UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS DIVISIÓN DE INGENIERÍAS FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA DIVISIÓN DE INGENIERÍAS BOGOTÁ D.C. 2017

2 CARACTERIZACIÓN DE LA RESISTENCIA MECÁNICA A TENSIÓN DEL ÁCIDO POLILÁCTICO/HIDROXIAPATITA POR MANUFACTURA ADITIVA MEDIANTE FABRICACIÓN POR FILAMENTO FUNDIDO (FFF) JUAN FELIPE TORRES VERGEL Trabajo de Grado en la modalidad de Solución a un problema de Ingeniería para optar al título de Ingeniero Mecánico Director Ing. Marco Antonio Velasco Peña Ingeniero Mecánico UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS DIVISIÓN DE INGENIERÍAS FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C. 2017

3 Nota de aceptación Firma del presidente del jurado Firma del jurado Firma del jurado Bogotá D.C, 21 de Noviembre de 2017

4 En primer lugar, dedico la culminación de este proyecto a Dios, quien todo lo puede y me dio la sabiduría, paciencia y fortaleza para sacar adelante mi carrera profesional. A mis padres por su apoyo, esfuerzo y consejos para ser un hombre íntegro. A los profesores que realmente se preocupan y se interesan por el progreso de sus estudiantes, tanto en el ámbito académico como en el personal, de quienes aprendí mucho. Y a los familiares, amigos y personas que aportaron a la realización de este logro.

5 AGRADECIMIENTOS Agradezco en primer lugar al Ingeniero Marco Antonio Velasco Peña por su gran ayuda y tiempo dedicado en la realización de esta investigación; por los consejos, asesorías y conocimientos compartidos sobre toda la temática del proyecto; y por su paciencia y apoyo incondicional para seguir adelante. A la Universidad Santo Tomas por ser el lugar donde me formé como profesional humanista y donde compartí muy buenos momento en el proceso. Agradezco por permitir el uso de las instalaciones y equipos necesarios para realizar las impresiones de las probetas y debidas mediciones para el desarrollo del proyecto. Al Servicio Nacional de Aprendizaje (SENA) por permitir tener acceso a sus instalaciones y equipos, que hicieron posible la extrusión del filamento de material compuesto y la realización de los ensayos de tensión.

6 TABLA DE CONTENIDO 1. OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL OBJETIVOS ESPECÍFICOS GENERALIDADES DEL ÁCIDO POLILÁCTICO (PLA) Y LA HIDROXIAPATITA (HA) EN LA INGENIERÍA DE TEJIDOS ÓSEOS USO DEL ÁCIDO POLILÁCTICO (PLA) EN LA INGENIERÍA DE TEJIDOS ÓSEOS USO DE LA HIDROXIAPATITA (HA) EN LA INGENIERÍA DE TEJIDOS ÓSEOS USO DE MATERIALES COMPUESTOS POLÍMEROS - CERÁMICOS EN LA INGENIERÍA DE TEJIDOS ÓSEOS CONCLUSIONES DEL CAPÍTULO DISEÑO DE EXPERIMENTOS SELECCIÓN DE FACTORES Y NIVELES PARA LA FABRICACIÓN DE FILAMENTOS DE MATERIAL COMPUESTO POR MATRIZ DE POLÍMERO PLA Y PARTÍCULAS DE HA SELECCIÓN DE FACTORES Y NIVELES DEL DISEÑO GEOMÉTRICO PARA LA FABRICACIÓN POR FILAMENTO FUNDIDO (FFF) DE ESTRUCTURAS POROSAS Porosidad Espesor de capa Ángulo de trama VARIABLES DE RESPUESTA DEL EXPERIMENTO Resistencia a la tensión Módulo de elasticidad ELECCIÓN DEL DISEÑO EXPERIMENTAL Diseño experimental factorial Diseño experimental factorial fraccionado Selección y aplicación del diseño experimental CONCLUSIONES DEL CAPÍTULO EXTRUSIÓN DE MATERIAL COMPUESTO PLA/HA Pág.

7 4.1. CONCLUSIONES DEL CAPÍTULO FABRICACIÓN DE PROBETAS MEDIANTE FFF PROBETAS PARA ENSAYO DE TENSIÓN EN POLÍMEROS SEGÚN NORMA ASTM D Selección y modelado CAD de probetas para ensayo de tensión Generación del G-CODE para la impresión de las probetas mediante tecnología FFF Impresión de probetas para ensayo de tensión REALIZACIÓN DE PRUEBAS EXPERIMENTALES Materiales y equipos usados Realización de ensayo de tensión según norma ASTM D ANÁLISIS MORFOLÓGICO CONCLUSIONES DEL CAPÍTULO RESULTADOS Y ANÁLISIS ESTADÍSTICO DE LOS DATOS CURVAS DE ESFUERZO VS DEFORMACIÓN RESULTADOS DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS A TENSIÓN ANÁLISIS DE REGRESIÓN LINEAL ANÁLISIS DE VARIANZA CONCLUSIONES DEL CAPÍTULO CONCLUSIONES RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFÍA ANEXOS... 76

8 LISTA DE TABLAS Tabla 1. Propiedades mecánicas del PLA Tabla 2. Propiedades de la Hidroxiapatita Tabla 3. Síntesis de factores usado en polímeros cerámicos por diferentes autores Tabla 4. Factores y niveles del diseño experimental Tabla 5. Esquema de combinaciones y orden de corridas del diseño experimental Tabla 6. Combinaciones y orden de corridas del diseño experimental Tabla 7. Especificaciones técnicas Filastruder Tabla 8. Problemas y posibles causas en la extrusión del filamento Tabla 9. Dimensiones de probeta tipo I Tabla 10. Relación de parámetros de impresión con factores del diseño geométrico Tabla 11. Especificaciones técnicas de Multoo 1, Tabla 12. Problemas de impresión Tabla 13. Área de encuellamiento de probetas del diseño experimental Tabla 14. Probetas de PLA comercial y su área de encuellamiento Tabla 15. Probetas de con 5% de HA y su área de encuellamiento Tabla 16. Especificaciones técnicas, Tinius Olsen 50ST Tabla 17. Especificaciones técnicas del microscopio digital AM4013MT Tabla 18. Resultados de propiedades mecánicas en las probetas del diseño experimental 59 Tabla 19. Resultados de propiedades mecánicas de probetas fabricadas con filamento de PLA producido en el proyecto y filamento comercial Tabla 20. Resultados de propiedades mecánicas de probetas con 2,5 y 5% de HA Tabla 21. Modelo de regresión (propiedades mecánicas vs parámetros de impresión) Tabla 22. ANOVA probetas de diseño experimental Pág.

9 LISTA DE FIGURAS Figura 1. Esquema de dos piezas con diferente porosidad. a) Espacio entre filamentos de 0,7 mm (mayor porosidad); b) Espacio entre filamentos de 0,4 mm (menor porosidad) Figura 2. Espesor de capa. a) Capas de filamento en vista isométrica; b) Capas de filamento en vista lateral Figura 3. Aspecto visual del espesor de capa (resolución) en impresiones 3D Figura 4. Esquema con dos piezas con ángulos de trama diferentes. a) Filamentos de la primera capa a 90 y los de la segunda a 0 ; b) Filamentos de primera capa a 135 y los de la segunda a Figura 5. Esquema de máquina universal de ensayos Figura 6. Módulo de Young en el diagrama esfuerzo- deformación Figura 7. Máquina Extrusora Figura 8. Pellets de PLA/HA Figura 9. Balanza para la medición del peso del polvo de HA según el porcentaje de composición Figura 10. Balanza para la medición de peso de pellets de PLA según el porcentaje de concentración Figura 11. Panel para medición de temperatura de extrusión (Número en verde) Figura 12. Extrusión de filamento Figura 13. Discontinuidad del diámetro Figura 14. Cambios de fluidez de extrusión Figura 15. Filamento quemado y con impurezas. a) Filamento con impurezas; b) Filamento quemado (coloración oscura) junto a filamento en bien fabricado Figura 16. Filamento de PLA y PLA/HA Figura 17. Filamentos de PLA/HA Figura 18. Geometría y dimensiones de probeta tipo I Figura 19. Modelo CAD de Probeta en Autodesk Inventor. a) Vista isométrica de probeta; b) Vista superior de probeta Figura 20. Selección de máquina virtual Figura 21. Plataforma de Multoo MT1(Dual) Figura 22. Importación de probeta Figura 23. Rotación de probeta Figura 24. Configuración de parámetros de impresión Figura 25. Tiempo y material de impresión Figura 26. Generación de G-CODE Figura 27. Visualización de G-CODE Figura 28. Máquina Multoo 1, Figura 29. Montaje de impresión Figura 30. Probetas tipo I de PLA: La probeta de arriba fue impresa con el filamento producido con 0% de HA y la de abajo con filamento comercial natural Pág.

10 Figura 31. Probetas tipo I de PLA/HA. Las identificadas con la letra B tienen 2,5% de HA y las de 5% llevan la letra C Figura 32. Máquina de ensayos universal, Tinius Olsen 50ST Figura 33. Interfaz Software Horizon Figura 34. Base de datos del Horizon Figura 35. Ensayo de tensión. a) Muestra de algunas probetas después del ensayo de tracción; b) Ejemplo de falla de probeta Figura 36. Velocidad del ensayo de tensión Figura 37. Microscopio digital AM4013MT Figura 38. Detalle morfológico de la probeta A2. a) Vista superior del andamio; b) Vista lateral (zona de falla); c) Vista superior de la zona de falla; d) Vista frontal de la zona de falla Figura 39. Detalle morfológico de la probeta B5. a) Vista superior del andamio; b) Vista lateral del andamio; c) Vista superior de la zona de falla; d) Vista frontal zona de falla Figura 40. Curva esfuerzo vs deformación obtenida en este proyecto de probeta de PLA con 50% en porosidad, espesor de capa de 0,2 mm y ángulo de trama de Figura 41. Discontinuidades en las curvas esfuerzo vs deformación. a) Probeta con 2,5% de HA, porosidad de 50%, espesor de capa de 0.35 mm y ángulo de trama de ; b) Probeta con 2,5% de HA, porosidad de 70%, espesor de capa de 0.35 mm y ángulo de trama de Figura 42. Comparación gráfica del esfuerzo último a tensión entre las probetas del diseño experimental Figura 43. Comparación gráfica del módulo de elasticidad entre probetas del diseño experimental Figura 44. Comparación gráfica del alargamiento de rotura entre probetas del diseño experimental Figura 45. Comparación gráfica del esfuerzo último de tensión de probetas fabricadas con los mismos parámetros geométricos con filamento de PLA producido en el proyecto y filamento comercial Figura 46. Comparación gráfica del módulo de elasticidad de probetas fabricadas con filamento de PLA producido en el proyecto y filamento comercial Figura 47. Comparación gráfica del alargamiento de rotura de probetas fabricadas con filamento de PLA producido en el proyecto y filamento comercial Figura 48. Comparación gráfica del esfuerzo último a tensión entre probetas de 2,5 y 5% de HA Figura 49. Comparación gráfica del módulo de elasticidad entre probetas de 2,5 y 5% de HA Figura 50. Comparación gráfica del alargamiento de rotura entre probetas de 2,5 y 5% de HA Figura 51. Efectos principales de los factores de proceso con respecto al Esfuerzo máximo Figura 52. Efectos principales de los factores de proceso con respecto al módulo de elasticidad Figura 53. Efectos principales de los factores de proceso con respecto al porcentaje de alargamiento... 69

11 LISTA DE ANEXOS Anexo A. Curvas esfuerzo vs deformación para ensayo de tensión Anexo B. Regresiones múltiples para las propiedades mecánicas vs los parámetros de impresión (Minitab 16)... 89

12 RESUMEN En la actualidad la medicina se ve influenciada por ramas de la ingeniería como la ingeniería de tejidos, bioingeniería, ingeniería de materiales, entre otras; esto se debe a que el cuerpo humano está conformado por sistemas que accionan o reciben energías mecánicas. La construcción de injertos para regeneración ósea, por ejemplo, es un área donde la ingeniería aporta en gran manera a la medicina. Pues estos injertos deben tener una estructura no solo química y física semejante al tejido ausente, sino que también deben tener las propiedades mecánicas adecuadas para seguir desempeñando sus funciones en el sistema. Los injertos para reconstrucción ósea están formados por andamios que asemejan la porosidad que debe tener el hueso humano para el flujo sanguíneo y de nutrientes, para el crecimiento celular. Además, estos andamios deben tener propiedades mecánicas para soportar las diversas cargas a las que están sometidas las estructuras óseas. Una de las tecnologías modernas más utilizadas para la impresión 3D de andamios, es la fabricación por filamento fundido (FFF), que puede procesar materiales como policaprolactona (PCL), polipropileno (PP), ABS y PLA, entre otros. La FFF permite controlar las propiedades mecánicas de los andamios con la configuración de los parámetros de impresión, tales como la porosidad, espesor de capas, espacio entre filamentos, ángulo de trama y la geometría externa de las piezas. Teniendo en cuenta lo anterior, el presente estudio realizado para optar al título de Ingenieros Mecánicos de la Universidad Santo Tomás, aporta con conocimientos de materiales y manufactura a la obtención de estructuras porosas (andamios) para la regeneración ósea. Seleccionando como biomaterial, el compuesto de PLA/HA, según investigaciones en materiales usados en la ingeniería de tejidos óseos. En ese sentido, se pretendió caracterizar la propiedades mecánicas a tensión de estructuras de PLA/HA fabricadas mediante FFF. En la primera parte del documento, se exponen las generalidades del PLA y HA como biomateriales usados en la ingeniería de tejidos óseos. Luego se presenta la metodología para la generación de las estructuras porosas mediante impresión 3D. Después, se describe el procedimiento y resultados de la obtención del filamento de material compuesto para ser usado como materia prima para la máquina FFF. Seguidamente, se muestra el proceso de fabricación de las probetas para luego realizar los ensayos de tensión. Finalmente, se presentan los resultados del ensayo y se realiza un análisis estadístico para cumplir con el objetivo de la caracterización del PLA/HA. Palabras clave: Ingeniería de tejidos, injertos, propiedades mecánicas, andamios, biomaterial, PLA, HA, FFF

13 INTRODUCCIÓN Con el avance tecnológico en la manufactura, se ha evidenciado un gran desarrollo e implementación de la fabricación por filamento fundido (FFF) en el campo médico en aplicaciones como la ingeniería de tejidos o la reconstrucción ósea [1], [2]. Esto se debe a su capacidad de recrear geometrías complejas con porosidades controladas [3], lo cual es esencial en la fabricación de injertos o andamios, implantes de tejidos naturales o sintéticos, que tienen como fin fijarse en el cuerpo y reemplazar tejido ausente o dañado para seguir cumpliendo su función en el sistema de forma segura, aceptable fisiológicamente y mecánicamente funcional [4], [5]. Los andamios o scaffolds son estructuras en forma de matriz (estructuras porosas) que usadas como injertos, dan soporte a las células, y ayudan al flujo sanguíneo y de nutrientes para la formación de nuevo tejido [6]. Estos andamios suelen estar conformados por biomateriales que pueden ser materiales compuestos conformados por la unión de dos o más materiales para conseguir la combinación de propiedades que no es posible obtener en los materiales individuales originales. Por otra parte, los defectos óseos son pérdidas totales o parciales de tejido óseo debido a factores como el desgaste por la edad, traumas, deficiencia nutricional, lesiones por causas externas y enfermedades congénitas o degenerativas [7]. Según estudios del Sistema Integral de Información de la Protección Social (SISPRO), de los motivos de consulta en Colombia las principales causas de daños de tejido se dan por lesiones violentas con un 31.5%, seguido de las lesiones auto infligidas (18.2%), accidentes de todo tipo que generan traumatismos y caídas (4.3%) y los accidentes de tránsito con un 2.6% [8]. En muchos casos los tejidos óseos no son capaces de regenerarse por sí mismos o con ayuda de fijaciones mecánicas, es allí donde la implantación de injertos con biomateriales en la zona afectada ayuda en la formación del nuevo tejido. La capacidad de la FFF para procesar biomateriales se ha demostrado en varias investigaciones con la fabricación de andamios funcionales para la reconstrucción del tejido óseo, con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas. Se logró aumentar el módulo estático y dinámico del acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) al incorporar un 4% de nanoplaquetas de grafito exfoliadas (xgnp) [9]. Se han realizado pruebas de compuestos con polipropileno (PP) como matriz y fosfato tricálcico (TCP) como fase dispersa, obteniendo mejoras en la resistencia a la compresión [10]. Con la combinación de nanofibras de carbón (CNFs) en el ABS se obtuvo un aumento del 68% en la rigidez [11]. Se hicieron pruebas para mejorar la resistencia y dureza del ABS sin perder flexibilidad ni manejabilidad con la incorporación de fibras de vidrio cortas, plastificantes y compatibilizadores [12]. Para injertos de hueso se usó espuma de ácido Poliláctico con hidroxiapatita (PLA/HA) con 2,5; 5 y 10% de HA, como resultado el módulo de elasticidad y esfuerzo ultimo a compresión aumentaba con el aumento de la concentración de HA [5]. El ácido Poliláctico (PLA) es uno de los polímeros más usado en la manufactura aditiva, por su flexibilidad de procesamiento. Es un material biodegradable, que al ser impreso por FFF 13

14 podría crear estructuras porosas apropiadas para la generación de nuevos tejidos [13]. Por otro lado, la hidroxiapatita (HA) hace parte de la composición principal de la fase mineral del tejido óseo y, por tanto, podría estimular la regeneración del mismo [14], [15]. Sería de gran utilidad para la medicina e ingeniería de tejidos saber las propiedades mecánicas del material compuesto por PLA y fosfatos de calcio como la HA, después de su procesamiento como materia prima y posteriormente como producto final de la manufactura FFF. Teniendo en cuenta que sus propiedades individuales son favorables como biomateriales para la reparación de tejidos óseos. Para el desarrollo de esta investigación, se realizó una revisión bibliográfica con el objetivo de seleccionar los materiales a utilizar para la elaboración de un material compuesto para fabricar injertos biocompatibles con el tejido óseo; así como las características que debe tener para asemejar las funciones de este. Luego se estableció el diseño experimental a seguir en la creación del material compuesto y la impresión 3D de las probetas para los posteriores ensayos de tensión. Finalmente, después de terminadas las pruebas, se realizó un análisis estadístico para conocer la influencia de los parámetros del diseño de las probetas en los resultados obtenidos del ensayo. El proyecto se limita a la producción del material compuesto; elaboración y caracterización de estructuras porosas para el uso en andamios para regeneración ósea. Análisis químicos, junto con pruebas in-vitro e in-vivo quedan fuera del alcance de esta investigación. Se utilizaron programas de uso libre y software con licencia adquirida por la Universidad Santo Tomás. El presente proyecto abre las puertas para iniciar una línea de investigación e innovación en la creación de materiales compuestos para generar estructuras que impulsen la regeneración ósea. 14

15 1. OBJETIVOS 1.1. OBJETIVO GENERAL Caracterizar la resistencia mecánica a tensión del ácido Poliláctico/hidroxiapatita por manufactura aditiva mediante fabricación por filamento fundido (FFF) 1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Determinar el diseño de experimentos para la caracterización del material compuesto PLA/HA Obtener un filamento de material compuesto por matriz de polímero de PLA y partículas de HA en dos diferentes formulaciones para ser usado como materia prima en la manufactura aditiva FFF Fabricar probetas del material compuesto mediante manufactura aditiva FFF de conformidad a la norma ASTM D 638. Determinar la resistencia mecánica a tensión de las probetas fabricadas por FFF y considerando el diseño de experimentos, mediante ensayos de conformidad a la norma ASTM D

16 2. GENERALIDADES DEL ÁCIDO POLILÁCTICO (PLA) Y LA HIDROXIAPATITA (HA) EN LA INGENIERÍA DE TEJIDOS ÓSEOS El sistema óseo es un sistema biológico que brinda soporte a los demás sistemas del cuerpo humano. Está conformado por estructuras porosas complejas, tejidos firmes, duros y resistentes. Los defectos óseos se pueden rellenar con injertos de tejido artificial, que deben tener propiedades similares a las del hueso natural [5]. Para efectos del presente estudio, se hace una breve reseña sobre los materiales que serán utilizados en la composición y fabricación del material candidato para ser usado como injerto en la reconstrucción de tejidos óseos: el polímero ácido Poliláctico (PLA) y el cerámico hidroxiapatita (HA), así como su uso en la ingeniería de tejidos USO DEL ÁCIDO POLILÁCTICO (PLA) EN LA INGENIERÍA DE TEJIDOS ÓSEOS El ácido Poliláctico (PLA) es un polímero biodegradable constituido por moléculas de ácido láctico, inodoro, claro y brillante que puede ser hecho de recursos renovables para su uso en aplicaciones farmacéuticas y dispositivos médicos, pues es muy bien asimilado por el organismo [13]. Puede procesarse fácilmente en formas tales como tornillos, clavijas y placas para aplicaciones ortopédicas; y fabricación de andamios para reemplazo y regeneración de tejidos, o dispositivos para suministro controlado de biomoléculas [16]. Como polímero bioabsorbible, el PLA es uno de los biopolímeros más destacados debido al hecho de que los monómeros pueden ser producidos a partir de materias primas renovables no tóxicas, así como por ser un ácido orgánico producido naturalmente [17]. Es importante señalar que el PLA junto con el copolímero de ácido láctico-glicólico (PLGA) son los únicos polímeros sintéticos y biodegradables con una extensa historia de aprobación de la Agencia de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos (FDA) [18]. El PLA se caracteriza sobre todo por sus buenas características mecánicas como su resistencia a la tensión de 60 MPa y módulo de elasticidad de 3,75 GPa. Para efectos de esta investigación, se sintetiza en la Tabla 1 los valores de algunas propiedades mecánicas y físicas del PLA según Farah et al.[17]. Es de mencionar que dichas propiedades mecánicas varían en función del peso molecular del PLA. 16

17 Tabla 1. Propiedades mecánicas del PLA. PROPIEDADES UNIDAD MAGNITUD Resistencia a la Tracción (σ) MPa 60 Módulo de Elasticidad (E) MPa 3750 Resistencia a la Flexión (R) MPa 106 Alargamiento de rotura (ε) % 2,5-8 Temperatura de transición vítrea (T) C Temperatura de fusión (Tm) C Densidad (ρ) g/cm 3 1,21-1,25 Fuente: Farah et al. [17] 2.2. USO DE LA HIDROXIAPATITA (HA) EN LA INGENIERÍA DE TEJIDOS ÓSEOS La hidroxiapatita (HA) es un material cerámico y es un tipo de fosfato de calcio (átomos de calcio, fosforo e hidrogeno). Es el principal componente inorgánico de huesos y dientes de mamíferos, constituye alrededor del 70% del peso seco del tejido óseo. Este material hace al tejido óseo resistente a la compresión [19], [20]. Actualmente los materiales a base de fosfato de calcio son usados como materiales sustitutos de tejidos óseos debido a su baja densidad, estabilidad química, alta resistencia al desgaste y similitudes de composición con el hueso humano [21]. Aproximadamente el 10% de los injertos óseos empleados anualmente en los Estado Unidos corresponden a sustitutos óseos sintéticos (2014) y esta cifra ha aumentado con el transcurrir de los años. Estos sustitutos óseos sintéticos pueden estar compuestos por hidroxiapatita, fosfato tricálcico, sulfato cálcico o una combinación de estos minerales [4]. La hidroxiapatita es el fosfato de calcio más estable en condiciones fisiológicas. En su forma sintética es una de las cerámicas más populares en aplicaciones biomédicas de ingeniería de tejidos debido a su excelente biocompatibilidad, no toxicidad y bioactividad. Además, tienen la capacidad de promover la osteoconducción [22], [23] Las propiedades mecánicas más relevantes de la HA para este estudio son su resistencia a la tracción que está entre 38 y 48 MPa; y el módulo de elasticidad entre 7 y 13 GPa. A continuación se presentarán algunas propiedades físicas y mecánicas de la HA basados en datos de la Universidad de Barcelona [24] y Chen [20], teniendo presente que son propiedades que pueden variar según el método de producción del material. Tabla 2. Propiedades de la Hidroxiapatita PROPIEDADES UNIDAD MAGNITUD Resistencia a la Tracción (σ) MPa Módulo de Elasticidad (E) GPa 7-13 Resistencia a la Flexión (R) MPa Densidad (ρ) g/cm 3 3,05-3,15 Fuente: Universidad de Barcelona [24] 17

18 2.3. USO DE MATERIALES COMPUESTOS POLÍMEROS - CERÁMICOS EN LA INGENIERÍA DE TEJIDOS ÓSEOS La ingeniería de tejidos tiene como objetivo mejorar y reemplazar funciones biológicas de los tejidos y órganos dañados. Su enfoque se basa en el trasplante de células dentro de andamios. Así, el andamio intenta imitar el funcionamiento del tejido natural ausente o dañado, proporcionando una estructura de soporte para promover el crecimiento del nuevo tejido [25]. Los andamios deben tener la forma y resistencia adecuadas para cumplir con la función que se les ha asignado. Si se quiere seleccionar y diseñar un biomaterial para la regeneración ósea es importante enfatizar en la composición del tejido óseo. La matriz extracelular ósea es un compuesto que comprende principalmente hidroxiapatita (HA) incrustada dentro de una matriz de colágeno (polímeros biológicos) y agua [20]. Por esta razón, muchos de los biomateriales de andamios aplicados a la ingeniería de tejidos óseos son fabricados principalmente a partir de polímeros, naturales o sintéticos, y cerámicos. Como se mencionó anteriormente el PLA es un biopolímero ampliamente utilizado en dispositivos médicos. Sin embargo, un inconveniente importante con los biopolímeros como el PLA es que en su degradación genera productos ácidos que pueden disminuir el ph de la solución local y su baja osteoinductividad [26]. Además, su resistencia mecánica puede limitar su aplicación en ciertas situaciones de carga. Estas limitaciones pueden ser suplidas con la incorporación de revestimiento o partículas inorgánicas en su matriz. La HA, por el contrario, es bioactiva y osteoinductiva, pero su principal limitación como injerto óseo es su fragilidad, aún más cuando se fabrican andamios con altas porosidades con el fin de imitar la estructura del hueso. Por esa razón, los materiales de fosfatos de calcio se suelen usar con revestimiento de biopolímeros en lugar de usarse solos [16]. Uno de los métodos de fabricación de andamios para tejidos óseos más usados por muchos investigadores es la fabricación por filamento fundido (FFF), puesto que permite recrear geometrías complejas con porosidades controladas. Teniendo presente que las piezas fabricadas deben ser de material compuesto polímero cerámico, es necesario hacer la fabricación del filamento del material que será fundido en la máquina FFF, lo cual se logra gracias a maquinas extrusoras, donde entra material particulado (pellets) del polímero y polvo cerámico [16] y sale el filamento de material compuesto en las concentraciones deseadas. La Tabla 3 muestra un resumen de los factores utilizados en la experimentación con polímeros cerámicos usados para andamios de tejidos óseos. 18

19 Tabla 3. Síntesis de factores usado en polímeros cerámicos por diferentes autores COMPOSICIÓN CERÁMICO POLÍMERO PORCENTAJE DE CERÁMICO (%) POROSIDAD (%) REFERENCIA HA(βTCP) PLA 2,5 / 5 / [5] TCP PP 25,5 36 / 40 / 52 [10] CaP PLA - 23 / 33 [16] TCP PLA 2,5 / 5 - [1] CaP PLGA [27] HA PLA [27] HA PLGA [27] HA PCL [27] En estas investigaciones, los andamios fueron sometidos a ensayos de tensión, compresión y dureza para caracterizar sus propiedades mecánicas (esfuerzo de fluencia, esfuerzo último a la tensión, esfuerzo último a la compresión, módulo de elasticidad, entre otros). En algunos casos también se hicieron pruebas de degradación y temperatura en medios vivos para predecir su comportamiento dentro del cuerpo humano. Entre las conclusiones de estas investigaciones más relevantes para este proyecto tenemos: Las muestras con 36% en volumen de porosidad mostraron la mejor resistencia a la compresión (12,7 MPa) [10] Se obtuvieron valores mayores del módulo de elasticidad y esfuerzo ultimo a compresión con el aumento del porcentaje de HA (TCP) [5] Para el material PLA/TCP solo se trabajó con un 2,5% en concentración de TCP porque los filamentos con 5% era quebradizos [1] Para complementar los estudios, algunos autores [1], [16], [27] realizaron microscopia electrónica de barrido (SEM) para observar en detalle la disposición y geometría de los filamentos en los andamios CONCLUSIONES DEL CAPÍTULO El PLA y la HA son dos de los materiales más usados en la ingeniería de tejidos para la reconstrucción ósea, siendo uno complemento del otro frente a las propiedades mecánicas deseadas en un andamio de injerto óseo. La fabricación por filamento fundido (FFF) es una de las tecnologías más utilizadas en la impresión 3D de andamios, gracias a su creación de geometrías complejas con porosidades controladas. 19

20 Gracias a las máquinas extrusoras de polímeros es posible obtener filamentos de materiales compuestos en diferentes porcentajes de concentración, para tener propiedades mecánicas diferentes en cada filamento. Según los autores mencionados en la Tabla 3 entre mayor sea la porosidad menor es la resistencia a la compresión; y el porcentaje del componente cerámico es directamente proporcional al módulo de elasticidad y a la resistencia última a la compresión, sin embargo, la fragilidad del compuesto es inversamente proporcional a este, lo que ocasionó problemas con los filamentos al ser usados en la máquina FFF para ciertos materiales; por lo cual recomiendan no exceder el 5% del material cerámico. 20

21 3. DISEÑO DE EXPERIMENTOS En el campo de la ingeniería, la experimentación desempeña un papel fundamental para la realización de nuevos productos, el desarrollo de procesos de manufactura y el mejoramiento de dichos procesos. Un buen diseño de experimentos proporciona resultados y conclusiones objetivas para estudiar el desempeño de diferentes procesos y sistemas utilizados en todos los campos de estudios. En esta investigación se espera realizar un diseño que provea resultados para lograr caracterizar la resistencia a la tensión de PLA/HA. A continuación, se muestra el procedimiento realizado para la organización y elección del diseño experimental de nuestro caso de estudio SELECCIÓN DE FACTORES Y NIVELES PARA LA FABRICACIÓN DE FILAMENTOS DE MATERIAL COMPUESTO POR MATRIZ DE POLÍMERO PLA Y PARTÍCULAS DE HA Según resultados obtenidos en materiales compuestos polímeros-cerámicos usando PLA como matriz y TCP como fase dispersa[1], [5], se escoge un porcentaje de concentración de 0% y 2,5% de HA, sabiendo que entre mayor es el porcentaje del cerámico la cristalización es mayor y el filamento obtenido podría ser quebradizo en su uso. Adicionalmente se pretende obtener un filamento de 5% en concentración, con el fin de analizar su comportamiento para ser procesado y usado como materia prima en la máquina FFF y hacer una mejor estimación de la influencia de la HA en las variables de respuesta. Sin embargo, no se incluirá en el diseño de experimentos SELECCIÓN DE FACTORES Y NIVELES DEL DISEÑO GEOMÉTRICO PARA LA FABRICACIÓN POR FILAMENTO FUNDIDO (FFF) DE ESTRUCTURAS POROSAS Porosidad Es un parámetro de impresión correspondiente al espacio vacío en la estructura impresa, medido como un porcentaje sobre el volumen total. En FFF la porosidad es determinada por el espacio que hay entre cada filamento depositado para conformar cada capa, como se ve en la siguiente figura. 21

22 Figura 1. Esquema de dos piezas con diferente porosidad. a) Espacio entre filamentos de 0,7 mm (mayor porosidad); b) Espacio entre filamentos de 0,4 mm (menor porosidad). a) b) Es importante diseñar la probeta con una porosidad similar a la del hueso trabecular que tiene un 50-95% de porosidad y una red de poros interconectados [28]. El hueso trabecular, a diferencia del hueso cortical, es menos denso y compacto, por lo cual permite un mayor crecimiento celular y óseo gracias a la mejor distribución del flujo de nutrientes [23]. Teniendo en cuenta lo anteriormente mencionado, se consideran dos niveles de porosidades equivalentes al 50 y al 70% para las probetas a diseñar Espesor de capa Este parámetro de impresión define el grosor que debe tener cada capa depositada de filamento fundido, hasta completar la altura deseada por la probeta (Ver Figura 2). Figura 2. Espesor de capa. a) Capas de filamento en vista isométrica; b) Capas de filamento en vista lateral. a) b) 22

23 La configuración del espesor de capa está relacionado con la resolución en el eje Z o vertical de la impresora FFF lo cual afecta directamente el número de capas y el aspecto de la pieza (sensación de laminado) [29]. Entre mayor sea la resolución vertical (menor espesor), mayor será la calidad visual de la impresión (Ver Figura 3), que a su vez tiene relación con la porosidad visto desde una sección transversal. Figura 3. Aspecto visual del espesor de capa (resolución) en impresiones 3D Fuente: To buy a 3D printer [30] De acuerdo a investigaciones como la de Rodríguez y Restrepo [31] las configuraciones más utilizadas para la fabricación de andamios en injertos de regeneración ósea van de 0,25 a 0,5 mm. En ese sentido, para esta investigación se definieron dos espesores de capa equivalentes a 0,2 y 0,35 mm con valores constantes para el diámetro del filamento, equivalente al diámetro de la boquilla de la impresora FFF Ángulo de trama Es el ángulo en el que es depositado cada filamento fundido para formar una capa, teniendo en cuenta los ejes de trabajo de la máquina FFF [31] (Ver Figura 4). Según varios investigadores [32], [33] como los mencionados en la Tabla 3 los ángulos de trama usualmente empleados van de 0-90 y de , los cuales serán los empleados para efectos de esta investigación. 23

24 Figura 4. Esquema con dos piezas con ángulos de trama diferentes. a) Filamentos de la primera capa a 90 y los de la segunda a 0 ; b) Filamentos de primera capa a 135 y los de la segunda a 45. a) b) 3.3. VARIABLES DE RESPUESTA DEL EXPERIMENTO Para cumplir con los objetivos de la presente investigación es necesario seleccionar la información adecuada, con datos que puedan analizarse mediante métodos estadísticos que lleven a conclusiones válidas y objetivas, proporcionando así una respuesta a la caracterización de la resistencia mecánica a tensión del PLA/HA. En ese sentido se hará una explicación de las variables que darán respuesta al caso de estudio Resistencia a la tensión Para muchos investigadores, personas que trabajan en diseño mecánico y selección de materiales es de gran importancia la interpretación y aplicación correcta de las propiedades mecánicas de los materiales, las cuales son obtenidas mediante ensayos mecánicos. La resistencia a la tensión es una propiedad que tiene los materiales que indica la capacidad de soportar cargas de alargamiento o tensión [34], siendo una de las propiedades mecánicas de más importancia, junto a la resistencia a la compresión. Se obtiene generalmente mediante el ensayo de tracción o tensión uniaxial. El ensayo de tensión cosiste en someter una probeta de geometría específica a cargas axiales aplicadas gradualmente hasta su punto de rotura. Para esto, se hace uso de una maquina universal de ensayos (Ver Figura 5), que sujeta la probeta en sus dos extremos por medio de unas mordazas y gracias al movimiento giratorio de tornillos de potencia, la mesa móvil que contiene una de las mordazas se desplaza en dirección contraria a la mesa fija, generando así las cargas de tensión en la probeta. 24

25 Figura 5. Esquema de máquina universal de ensayos Módulo de elasticidad Fuente: Engineering Archives [35] El módulo de elasticidad o módulo de Young es una medida de rigidez que tiene un material. Se define como la relación entre la tensión aplicada en una unidad de área y la deformación proporcional en un material [36], denotado con la letra E. En el diagrama esfuerzo - deformación, que se obtiene a partir del ensayo de tracción, el módulo de Young representa la pendiente de la recta en la zona elástica, como se muestra a continuación: Figura 6. Módulo de Young en el diagrama esfuerzo- deformación. 25

26 3.4. ELECCIÓN DEL DISEÑO EXPERIMENTAL Teniendo presente que la selección de factores y niveles junto con las variables de respuesta fueron seleccionadas según los fines de este trabajo, se sigue con la elección del diseño experimental donde se considera el tamaño de la muestra, se selecciona el orden de corridas de los ensayos experimentales y se determinan restricciones de la aleatorización en los ensayos. Es así, como se estudian algunas estrategias de experimentación conocidas para aplicar un diseño adecuado en nuestra investigación Diseño experimental factorial Una de las estrategias de experimentación más eficientes y sólidas, basadas en enfoques estadísticos, es la experimentación factorial. Permite trabajar con varios factores, haciendo que varíen en conjunto cubriendo todas las posibles combinaciones de los niveles en todos los factores, a diferencia de otros enfoques que lo hacen uno a la vez [37]. niveles Factores = # de corridas (Ecuación 1) La Ecuación 1describe la aplicación de la experimentación factorial para conocer el número de corridas o combinaciones a realizar para obtener resultados objetivos después de su debido análisis. Este tipo de experimento, además, deja conocer los efectos de cada factor sobre la variable de respuesta y determina si existe alguna interacción entre los factores Diseño experimental factorial fraccionado El diseño experimental factorial fraccionado es una variación del diseño experimental básico visto en el punto anterior. Por ser un diseño factorial, si se aumenta el número de factores y niveles, el número de combinaciones aumenta exponencialmente, lo cual genera problemas referentes a tiempo y recursos. Por tanto, si el número de corridas en un diseño factorial completo es demasiado alto, puede optarse por un diseño factorial fraccionado, en el que solo se realiza un subconjunto de las corridas, omitiendo estratégicamente algunas de las combinaciones posibles. Es de gran importancia identificar qué combinaciones excluir del diseño al realizar una experimentación fraccionada, pues obviar factores que afecten sustancialmente la variable de respuesta ocasionaría que el análisis final este errado o no sea confiable Selección y aplicación del diseño experimental Después del estudio de las anteriores estrategias de experimentación y con las actividades de planeación del experimento, se seleccionó un diseño factorial teniendo presente que no son 26

27 muchos los factores y se usaron dos niveles en cada uno de ellos, como se ve organizado en la siguiente tabla. Tabla 4. Factores y niveles del diseño experimental FACTORES NIVELES Concentración de HA (%) 0 2,5 Porosidad (%) Espesor de capa (mm) 0,20 0,35 Angulo de trama ( ) Según la teoría vista anteriormente y usando la Ecuación 1 se halló el número de corridas requeridas para responder al objetivo del caso de estudio: niveles Factores = # de corridas 2 4 = 16 corridas Haciendo uso del programa de diseño de experimentos Minitab se obtuvo las combinaciones entre los factores y el orden de las corridas, plasmando los resultados en la Tabla 5, donde los niveles fueron representados por un 1 y -1 haciendo referencia al nivel máximo y mínimo respectivamente de cada factor. Tabla 5. Esquema de combinaciones y orden de corridas del diseño experimental ORDEN STANDARD ORDEN DE CORRIDAS CONCENTRACIÓN DE HA POROSIDAD ESPESOR DE CAPA ANGULO DE TRAMA

28 Después de reemplazar los valores esquemáticos (1 y -1) por los valores de los niveles de cada factor, se obtiene la tabla final del orden de corridas de las combinaciones del diseño experimental. Tabla 6. Combinaciones y orden de corridas del diseño experimental ORDEN STANDARD ORDEN DE CORRIDAS CONCENTRACIÓN DE HA (%) POROSIDAD (%) ESPESOR DE CAPA (mm) ANGULO DE TRAMA ( ) , ,5 50 0, , ,5 70 0, , ,5 50 0, , ,5 70 0, , ,5 50 0, , ,5 70 0, , ,5 50 0, , ,5 70 0,35 45 Finalmente se obtendrán ocho (8) probetas por cada porcentaje de HA, es decir, debe haber dos grupos de ocho probetas con parámetros o factores completamente iguales, diferenciados por la concentración de HA. En ese sentido, se espera agregar un grupo más con un porcentaje de 5% del cerámico, con el fin de conocer con más exactitud la influencia de la HA en el compuesto CONCLUSIONES DEL CAPÍTULO Los factores y niveles del diseño experimental seleccionados, según sugerencias y tendencias de investigaciones con materiales compuestos son: 0 y 2,5% para la concentración de hidroxiapatita (HA); porosidad del 50 y 70%; 0,2 y 3,5 mm de espesor de capa; y ángulos de trama de 0 a 90 y de 45 a 135. Como variables de respuesta de la experimentación se espera obtener el esfuerzo último a tensión, porcentaje de alargamiento y módulo de elasticidad del compuesto polímero - cerámico PLA/HA. Se seleccionó un diseño experimental factorial para lograr analizar todas las posibles combinaciones entre los factores y observar la influencia de cada uno en las variables de salida, para un total de 16 corridas. 28

29 4. EXTRUSIÓN DE MATERIAL COMPUESTO PLA/HA La extrusión es un procedimiento continuo en que se forman productos tales como perfiles, tubos, filamentos y películas forzando material plastificado a pasar por un orificio de conformado. Una máquina extrusora tiene tres funciones fundamentales: en primer lugar, extrae el material en gránulos o pellets de la tolva de almacenamiento y lo transporta por medio de un tornillo sin fin al tiempo que lo comprime; en segundo lugar, mezcla y produce un material fundido homogéneo, lo cual es de gran utilidad para realizar la mezcla del polímero - cerámico de esta investigación; y, en tercer lugar, genera la presión suficiente tal que supere la resistencia al flujo del producto final de forma continua [38], en este caso filamento. La tecnología de extrusión utilizada para obtener el filamento polímero cerámico fue la máquina Filastruder SERIE 2729 (Ver Figura 7), con las especificaciones descritas en la Tabla 7. Figura 7. Máquina Extrusora Fuente: Instruction and Assembly Manual for Filastruder [39] Tabla 7. Especificaciones técnicas Filastruder Potencia VCA,50/60 Hz, pico de 75 vatios, promedio de 50 vatios Temperatura de extrusión Probada con C Índice de Extrusión 8-9 pulgadas / minuto con PLA Tamaño 21"x 6" x 6" Ruido 52 dba a 3 pies Fuente: Instruction and Assembly Manual for Filastruder [39] 29

30 Para lograr la mezcla del filamento lo más homogénea posible se intentó hacer modificaciones en la materia prima de ingreso a la tolva, al producir pellets de PLA/HA (granos de PLA con partículas de HA), fundiendo un poco la superficie de los pellets de PLA en un recipiente cerámico lleno de polvo de hidroxiapatita por medio de microondas. De esta forma las partículas de HA se adherían a los pellets al solidificarse (Ver Figura 8). Sin embargo, en este proceso los pellets de PLA cambian sus propiedades físicas al debilitar los enlaces y el grano se cristaliza, por tanto, se descartó este método de mezcla. Figura 8. Pellets de PLA/HA Según las investigaciones de algunos de los autores mencionados en la Tabla 3 del capítulo 2, para realizar la mezcla se agregaron los componentes directamente en el sistema de almacenamiento del extrusor. Así, el tornillo sin fin se encarga de transportarlos simultáneamente hasta la cámara de fusión, donde se realiza la mezcla antes de salir por el orificio de conformado. Además, autores como Kalita et al. [10] añadieron otros aditivos de procesamiento para impartir plasticidad a los materiales compuestos, como VESTOWAXR SH 105 (Crenova, NJ) para el procesamiento como modulador de viscosidad, y aceite vegetal como plastificante. Es así como se decidió seguir este procedimiento agregando los componentes directamente a la tolva del extrusor, con adición de aceite vegetal como plastificante, que a la vez servía para impregnar las partículas de HA en los pellets de PLA para lograr una mezcla uniforme entre la matriz de polímero y la fase dispersa de cerámico. Con base en los niveles de concentración de HA propuestos en el capítulo anterior, se usaron bolsas y frascos plásticos para depositar las cantidades correspondientes de pellets de PLA y granos de HA, pesándolos en balanzas de vacío en el caso de las HA para mayor precisión (0,0001 g) como se muestra en la Figura 9 y una balanza digital de resolución g para los pellets de PLA (Ver Figura 10). El aceite vegetal fue agregado en un 10% de concentración adicional al peso total de la mezcla, pesado en la misma balanza de vacío usada en la HA. 30

31 Figura 9. Balanza para la medición del peso del polvo de HA según el porcentaje de composición Figura 10. Balanza para la medición de peso de pellets de PLA según el porcentaje de concentración Teniendo las cantidades distribuidas de cada componente, fueron depositadas en un recipiente recubierto en teflón y mezcladas manualmente durante cinco minutos, para luego ser agregadas en la tolva de extrusor y fundidas a una temperatura de extrusión de 160 C (Ver Figura 11), esperando obtener un filamento de diámetro homogéneo aproximadamente de 1,75 mm, que es uno de los diámetros comerciales más comunes y con el que trabaja la maquina FFF usada en este proyecto. 31

32 Figura 11. Panel para medición de temperatura de extrusión (Número en verde) Figura 12. Extrusión de filamento En la Figura 12 se muestra el proceso de producción de filamento. Al lado izquierdo está la maquina extrusora, donde se encuentra la tolva de alimentación, seguida del cabezal por el cual sale el filamento que se va solidificando a medida que interactúa con la temperatura ambiente. Luego es enrollado por el embobinador del lado derecho o puede ser enrollado también de forma manual. Durante la extrusión se produjeron varios problemas que afectaron la producción del filamento esperado para ser usado como materia prima en la máquina FFF, como lo son las discontinuidades del diámetro a lo largo del filamento y en muchas ocasiones la pérdida total del flujo de extrusión; acumulación de porcentajes mayores de HA en pequeños tramos, burbujas de aire dentro del filamento, entre otros que son sintetizados en la siguiente tabla con sus posibles causas. 32

33 Tabla 8. Problemas y posibles causas en la extrusión del filamento. Acumulación de cerámico en el cabezal de extrusión Discontinuidad pronunciada del diámetro a lo largo del filamento (Ver Figura 13) Cambio de fluidez de extrusión o velocidad de producción de filamento (Ver Figura 14) Acumulación de grandes porcentajes de HA a lo largo del filamento Burbujas de aire dentro del filamento Filamento de PLA con coloración oscura (quemado) o con impurezas Debido a que los componentes se funden, se mezclan y salen por el orificio de conformado en un solo punto; solo hay una resistencia que suministra el calor de fusión y está al final del recorrido del material, que es donde a la vez sale por la boquilla; por lo tanto, el control de la temperatura y la mezcla homogénea es difícil de lograr. Debido a la pérdida de presión del polímero fundido por falta de alimentación. Atascamientos de material en el recorrido por la camisa. Taponamientos por acumulación de material cerámico. Debido a la acción de embobinado por generar cambios de avance mientras se producía filamento. Debido a la liberación súbita de cerámico acumulado se produce un cambio de presión de la mezcla mayor a la presión de salida normal. Acumulación de aceite vegetal en el cabezal por las paradas de producción o ineficiencia en la mezcla, que, al salir en grandes cantidades con la mezcla, aumenta la fluidez de extrusión. Por la salida del cerámico de los taponamientos por acumulación de los mismos. Por los vacíos generados entre los pellets al momento de pasar de la tolva al tornillo. En el proceso de experimentación para graduar la temperatura de extrusión final, a altas temperaturas (superiores a 180 C), el filamento resultante tenía una coloración negra por haberse quemado (Ver Figura 15b), dejando impurezas en el extrusor, que terminaron de salir en pequeños volúmenes a lo largo de los primeros filamentos producidos (Ver Figura 15a). 33

34 Figura 13. Discontinuidad del diámetro Figura 14. Cambios de fluidez de extrusión Figura 15. Filamento quemado y con impurezas. a) Filamento con impurezas; b) Filamento quemado (coloración oscura) junto a filamento en bien fabricado. a) b) 34

35 Finalmente se logró obtener filamento en las tres concentraciones deseadas según la mezcla inicial de la materia prima, incluyendo filamento de 5% de HA. Sin embargo, puede haber una variabilidad en el porcentaje de HA a lo largo de la longitud del filamento por los problemas mencionados en la Tabla 8; y, como consecuencia de que la mayoría de los problemas fueron causados por la acumulación de HA, el filamento con 5% en concentración tuvo una gran dificultad para ser procesado. Se encontró que la fragilidad del filamento aumenta al aumentar el porcentaje de HA. Adicionalmente, por la variación del flujo de extrusión, entre mayor era el porcentaje de HA, fue más difícil obtener filamento con longitudes aceptables que cumplieran la cantidad de material necesario para imprimir probetas completas (hasta la última capa). A continuación, se muestra el resultado final de la producción del filamento, con un diámetro promedio de 1,4 mm. Figura 16. Filamento de PLA y PLA/HA Nota: El rollo de filamento del lado izquierdo es de PLA/HA (nótese su coloración blanca por la HA) y el rollo de la derecha es de solo PLA. 35

36 Figura 17. Filamentos de PLA/HA Nota: Los dos filamentos de la parte superior tienen 2,5% en concentración de HA y los demás un 5% en concentración CONCLUSIONES DEL CAPÍTULO Como método para realizar la mezcla lo más homogénea posible, siguiendo las recomendaciones de otras investigaciones con polímeros cerámicos, se hizo una premezcla de los componentes (pellets de PLA y polvo cerámico) con aceite vegetal, mezclándolos en un recipiente por cinco minutos, para luego ser depositados en la tolva del extrusor. Así, se mejoró la adhesión del polvo a los pellets y la plasticidad de la mezcla, para obtener un filamento lo más homogéneo posible en composición y dimensiones. Se utilizó una temperatura de extrusión de 160 C y se obtuvieron filamentos con diámetro promedio de 1,4 mm. Se pudo obtener filamento en las tres concentraciones deseadas, siendo el 5% el porcentaje de HA con mayor dificultad en su producción. Además, fue más notoria la fragilidad del filamento entre mayor era su concentración de HA. 36

37 5. FABRICACIÓN DE PROBETAS MEDIANTE FFF Terminada la fabricación del filamento de PLA/HA en las tres (3) concentraciones esperadas, se procede a realizar las actividades necesarias para producir probetas para realizar el ensayo de tensión según la norma ASTM D PROBETAS PARA ENSAYO DE TENSIÓN EN POLÍMEROS SEGÚN NORMA ASTM D638 La norma ASTM D638 (Metodología de prueba estándar para propiedades a tracción de plásticos) es la encargada de explicar y guiar las metodologías adecuadas para producir datos de propiedades de tracción para el control, especificación y caracterización de materiales plásticos. Indica la geometría de las probetas a usar dependiendo de la especificación de los factores que influyen en la variable de respuesta. La norma también aclara que el material de todas las muestras se debe preparar lo más exactas posibles y asegurar un grado máximo de uniformidad en los detalles de preparación, tratamiento y manipulación; con el fin de asegurar los datos de respuesta después de realizadas las pruebas. Las probetas tipo I son las preferidas para los ensayos en investigaciones de plásticos rígidos y semirrígidos, son usadas cuando se dispone de material suficiente con un espesor de siete milímetros (7 mm) o menos. Para esta investigación se selecciona este tipo de probeta y a continuación, se muestra la geometría de las probetas tipo I con sus respectivas dimensiones: Figura 18. Geometría y dimensiones de probeta tipo I Fuente: ASTM D638 [40] 37

38 Tabla 9. Dimensiones de probeta tipo I DIMENSIONES DESCRIPCIÓN MAGNITUD (mm (in)) W Ancho sección estrecha 13 (0,50) L Longitud sección estrecha 57 (2,25) WO Ancho total 19 (0,75) LO Longitud total 165 (6,50) R Radio de filete 76 (3,00) T Espesor 7 (0,27) Selección y modelado CAD de probetas para ensayo de tensión La tecnología de impresión 3D lee una serie de códigos llamados G-CODES (lista de comandos CNC o control numérico), que son las coordenadas de movimientos y velocidades del cabezal de impresión en los tres ejes. En el caso de máquinas de impresión FFF, se incluyen parámetros como la temperatura de fusión de filamento y velocidad de alimentación del cabezal. Estos G-CODES son extraídos de softwares laminadores especializados para impresoras 3D [41], los cuales procesan modelos de diseño asistido por ordenador (CAD) en archivos STL y con respecto a este se parametriza el G-CODE que leerá la máquina. Para generar el archivo STL de las probetas para los ensayos de tensión, se utilizó el software CAD Autodesk Inventor 2016, el cual permite recrear una gran variedad de figuras 3D por medio de bocetos 2D. De esta forma se modeló la probeta siguiendo las dimensiones establecida en la norma ASTM D638 (Ver Figura 19) y seguidamente se exportó como archivo STL para el post-procesado. Figura 19. Modelo CAD de Probeta en Autodesk Inventor. a) Vista isométrica de probeta; b) Vista superior de probeta. a) b) 38

39 Generación del G-CODE para la impresión de las probetas mediante tecnología FFF Una vez obtenido el archivo STL de la probeta, se procede a utilizar el software laminador para generar los G-COGES, el cual se encarga de dividir el modelo 3D en capas, para definir la forma de operación y los factores influyentes para la manufactura aditiva. Para este trabajo se utilizó el software Cura , debido a su disponibilidad y fácil manejo para parametrizar cada uno de los factores del proceso de acuerdo con los requerimientos que debe tener cada probeta según el diseño de experimentos. A continuación, se presentará un paso a paso del proceso para la generación del G-CODE en el software Cura: Agregar la máquina virtual con la que se harán las impresiones, la cual es la Multoo MT1 (Dual) (Ver Figura 20), equipada con dos cabezales y boquillas de impresión, sin embargo solo se hará uso de uno de los cabezales, pues solo se trabajaba con un filamento por pieza. Figura 20. Selección de máquina virtual Seguidamente se observará la plataforma de la máquina virtual, donde se puede observar del lado izquierdo la venta para la configuración de los niveles de cada factor del diseño, y del lado derecho se visualiza la geometría de la pieza a trabajar. 39

40 Figura 21. Plataforma de Multoo MT1(Dual) Se abre el archivo STL de la pieza a fabricar. Figura 22. Importación de probeta El programa permite hacer modificaciones de posición y rotación de la pieza, puesto que la ubicación de la probeta sobre el plano será determinada por la forma en que se modela la pieza en el software CAD Después de la importación de la probeta, Cura ubica la probeta horizontalmente por defecto, lo que corresponde a un ángulo de impresión por capa de 45 y 135. Para imprimir con un ángulo diferente se debe rotar la probeta. Ver Figura

41 Figura 23. Rotación de probeta Es decir, que el factor ángulo de trama se configura de esta forma, ya sea para los niveles 0-90 o Se modifican los parámetros de impresión que varían según la configuración de los niveles de cada probeta Figura 24. Configuración de parámetros de impresión 41

42 A continuación, se presenta una tabla explicando la relación que tiene cada parámetro con los factores propuestos para las especificaciones de las probetas y su debida manufactura: Tabla 10. Relación de parámetros de impresión con factores del diseño geométrico PARÁMETRO DE IMPRESIÓN Espesor de filamento Espesor de contorno Espesor de cara superior e inferior Velocidad de impresión Temperatura de impresión Diámetro de filamento FACTORES DE DISEÑO Es el parámetro que permite nivelar el espesor de cada capa o su resolución, para nuestra investigación variaba entre 0,2 y 0,35 mm Es el espesor de tiene el contorno en cada capa, en nuestro caso es de cero (0), para que haya un flujo sanguíneo y de nutrientes; y un mayor crecimiento celular y óseo, imitando así el hueso trabecular Es el espesor de capa que lleva la primera y última capa de la pieza, que al igual que el parámetro anterior es cero, por la misma justificación de la semejanza al hueso trabecular Es la velocidad con la que se deposita filamento fundido para generar cada capa, siendo 50 mm/s, según recomendaciones del grupo de soporte técnico de la empresa Voxel C&T (fabricantes de la impresora 3D) Temperatura en la boquilla con la que se funde el filamento, que al igual que el parámetro anterior, se siguió la asesoría del soporte técnico usando una temperatura de impresión de 205 C Es el diámetro del filamento usado como materia prima para la impresión, un parámetro de gran importancia para la fabricación de las probetas de este proyecto, pues no se logró obtener un diámetro de 1,75 mm, ni uno cercano de forma contante en su longitud. Para este parámetro se colocó el diámetro promedio medido en varios puntos del filamento a utilizar. Siendo 1,2 mm el diámetro menor permitido por recomendaciones del fabricante. Terminada la parametrización de los niveles de cada probeta, el programa muestra el tiempo total de impresión, la cantidad de filamento que se usará en metros y gramos aproximados, como se ve en la figura a continuación. 42

43 Figura 25. Tiempo y material de impresión Con esta información se puede hacer un tiempo estimado de la impresión de todas las probetas y la cantidad de material necesario. Teniendo presente que la cantidad de material (en longitud) está en función del diámetro del filamento (a mayor diámetro menor longitud) y que el diámetro extruido era variable, se estimaban las longitudes con el diámetro menor permitido (1,2 mm) para obtener la longitud máxima de filamento a fabricar. Finalizada la configuración de parámetros, se genera el G-GODE automáticamente, después de pedírselo al programa Figura 26. Generación de G-CODE 43

44 Visualizando el archivo en bloc de notas, el G-CODE esta esquematizado de la siguiente manera, y maneja operaciones y comandos CNC Figura 27. Visualización de G-CODE Impresión de probetas para ensayo de tensión La tecnología utilizada para la impresión de estructuras porosas fue FFF (fabricación por filamento fundido). Es una de las tecnologías de creación rápida de andamios de polímeros como el PLA y ABS, que no requiere de disolventes y ofrece facilidad para la manipulación de los materiales y su procesamiento, a diferencia de otras tecnologías [33]. Para la impresión de las probetas, se empleó la máquina Multoo 1,5 Pro High Speed Large Format Digital 3D Printer, adquirida por la Universidad Santo Tomás (Ver Figura 28), y se encuentra disponible en los laboratorios de la universidad. Las especificaciones de la máquina se muestran en la Tabla

45 Figura 28. Máquina Multoo 1,5 Fuente: 3D printers online store [42] Tabla 11. Especificaciones técnicas de Multoo 1,5 Nombre Multoo Distribuidor Autorizado Voxel C&T (voxel3d.net) Modelo MT 1,5 Pro Tecnología FDM (Fused deposition modeling) Área disponible para impresión 400x400x400 mm (LxWxH) Área Cama de impresión 400x400 Color Negro Kit de extrusión Single+Dual+laser engraving Temperatura de boquilla 300 C & 400 C Diámetro de la boquilla 0,4 mm (0,5/0,6/0,8 opcional) Espesor de capa 0,05 0,3 mm Temperatura cama de impresión 100 C Grabador de energía 500 mw, 405nm Velocidad de impresión mm/s Precisión de posición Z: 2,5 μm, XY: 11 μm Conexión SD Card / USB cable Idioma Ingles Software Cura / Makerbot Desktop / Simplify 3D / Slic3r Tamaño máquina 610x530x710 mm (LxWxH) Peso 25 Kg Filamentos Compatibles PLA, ABS, PVA, HIPS, PETG, Wood Fuente: 3d printers online store [42] 45

46 Después de obtenida la materia prima para la impresión y exportado el modelo CAD a archivo STL para ser leído por el software laminador se generó el G-CODE para la impresión de las probetas. El G-CODE fue almacenado en una tarjeta SD que se insertó en la máquina FFF, para que esta pudiera leerlo e iniciar el proceso de fabricación de las probetas. En la Figura 29 se muestra el montaje realizado para las impresiones 3D. Figura 29. Montaje de impresión Teniendo presente que la longitud de los filamentos obtenidos no era la requerida para la impresión de algunas probetas en su totalidad, especialmente para el material con 5% de HA, se optó por usar varios tramos de filamento con diámetros semejantes, con el fin de que la suma de sus longitudes fuese igual a la longitud total requerida por la impresión programada. En ese sentido, para hacer el empalme entre filamentos, la máquina tiene una opción de hacer pausas en el trascurso de la impresión, las cuales, el programa las calcula para hacerlas en puntos donde afecte de la menor forma a la impresión, como en cambios de coordenadas en varios ejes. Es así, como al estar finalizando el consumo de un filamento, se pausa la impresión, se hace el cambio de filamento y se reanuda la impresión. Al igual que en la extrusión de filamento, durante la impresión de las probetas también se produjeron algunos problemas que ocasionaron paros en la fabricación y defectos, que en algunos casos llevaron a descartar probetas. En la Tabla 12 se describen los problemas mencionados y sus causas. 46

47 Tabla 12. Problemas de impresión Espesores de capa variables Interrupciones de continuidad en los filamentos depositados Paros en la fabricación Debido a los cambios en el diámetro a lo largo de los filamentos, la máquina fundía y depositaba material de más, si el diámetro sobrepasaba al parametrizado en Cura; o insuficiente, si el diámetro era menor que el parametrizado. Ocasionando una variación de espesores de filamento fundido a lo largo de cada capa Después de haber hecho cambios de filamento mientras se está imprimiendo, si la punta del filamento introducido quedaba más arriba de la posición del filamento extraído al reanudar las impresiones, la máquina sigue fundiendo y no deposita material por el vacío que quedó entre las posiciones de filamentos, hasta que la alimentación del nuevo filamento haga presión en la fundición del cabezal Muchas veces se acumulaba polvo cerámico en la boquilla y obstruía la salida de material fundido. Dependiendo del porcentaje del proceso de impresión, se decidía desechar la probeta (proceso <90%) o aceptarla (proceso 90%, aproximadamente). Si se aceptaba la probeta sin terminar el proceso, se aplicaba un factor de corrección en el espesor para las pruebas de tensión Finalmente se lograron imprimir todas las probetas de 0 y 2,5% en concentración de HA, con pequeñas variaciones en el espesor de algunas probetas (Ver Tabla 13. Área de encuellamiento de probetas del diseño experimental Tabla 13), por problemas mencionados en la tabla anterior. Adicionalmente, se imprimieron algunas probetas con PLA comercial natural (Ver Tabla 14), con los mismos parámetros, para comparar las propiedades mecánicas a tensión con las probetas obtenidas con el filamento fabricado en este proyecto. Figura 30. Probetas tipo I de PLA: La probeta de arriba fue impresa con el filamento producido con 0% de HA y la de abajo con filamento comercial natural 47

48 Tabla 13. Área de encuellamiento de probetas del diseño experimental PROBETAS PORCENTAJE DE HA (%) POROSIDAD (%) ESPESOR DE CAPA (mm) ANGULO DE TRAMA ( ) ESPESOR T (mm) ÁREA ENCUELLAMIENTO (mm 2 ) A ,2 0 7,3 94,9 B1 2,5 50 0,2 0 7,3 94,9 A ,2 0 7,3 94,9 B2 2,5 70 0,2 0 7,3 94,9 A ,35 0 7,12 92,56 B3 2,5 50 0,35 0 7,2 93,6 A ,35 0 7,12 92,56 B4 2,5 70 0,35 0 7,11 92,43 A ,2 45 7,25 94,25 B5 2,5 50 0,2 45 7,3 94,9 A ,2 45 6,8 88,4 B6 2,5 70 0,2 45 7,22 93,86 A , ,2 93,6 B7 2,5 50 0, A , ,2 93,6 B8 2,5 70 0, ,3 94,9 Tabla 14. Probetas de PLA comercial y su área de encuellamiento PROBETAS PORCENTAJE DE HA (%) POROSIDAD (%) ESPESOR DE CAPA (mm) ANGULO DE TRAMA ( ) ESPESOR T (mm) ÁREA ENCUELLAMIENTO (mm 2 ) AC ,2 0 7,54 98,02 AC ,2 0 7,55 98,15 AC ,35 0 7,49 97,37 AC ,35 0 7,28 94,64 AC ,2 45 7,55 98,15 En cuanto a las probetas con 5% de concentración, solo se pudieron imprimir cinco de las ocho totales (Ver Tabla 15), debido principalmente a que la mayor concentración de HA obstruía muy seguidamente la boquilla, interrumpiendo las impresiones y haciendo desechar estas probetas impresas parcialmente, por lo cual se perdió gran cantidad de material y tiempo. Se decidió entonces, culminar los intentos de producción para no prolongar más los tiempos del proyecto. 48

49 Tabla 15. Probetas de con 5% de HA y su área de encuellamiento PROBETAS PORCENTAJE DE HA (%) POROSIDAD (%) ESPESOR DE CAPA (mm) ANGULO DE TRAMA ( ) ESPESOR T (mm) ÁREA ENCUELLAMIENTO (mm 2 ) C ,2 0 7,34 95,42 C ,2 0 6,6 85,8 C ,35 0 7,28 94,64 C , C , ,8 88,4 Figura 31. Probetas tipo I de PLA/HA. Las identificadas con la letra B tienen 2,5% de HA y las de 5% llevan la letra C 5.2. REALIZACIÓN DE PRUEBAS EXPERIMENTALES Materiales y equipos usados Para la realización de los ensayos de tensión a las probetas obtenidas de PLA/HA, se usó la máquina de ensayos universales Tinius Olsen 50ST (Ver Figura 32) con las especificaciones 49

50 presentadas en la Tabla 16, la cual está diseñada para pruebas de tensión, compresión, flexión y otras, con una fuerza máxima de 50 kn, permitiendo la aplicación de estas pruebas en varios materiales. Figura 32. Máquina de ensayos universal, Tinius Olsen 50ST Fuente: Tinius Olsen [43] Tabla 16. Especificaciones técnicas, Tinius Olsen 50ST Nombre Tinius Olsen Model 50 ST Fabricante Tinius Olsen País de fabricación Estados Unidos Capacidad 50 kn (5000 kg, lbf ) Distancia entre columnas 410 mm (16 in) Altura 1655 mm (65 in) Ancho 729 mm (29 in) Peso 163 kg (359 lb) Voltaje 110/240 V Frecuencia 50/60 Hz Potencia 2000 W Temperatura de operación 10 a 40 C Fuente: Tinius Olsen [43] La máquina trabaja junto al software de análisis de datos Horizon (Ver Figura 33), el cual tiene una interfaz de fácil uso entre el usuario y la máquina de ensayos, que permite programar el tipo de ensayo a realizar, ya sea de forma manual o por medio de su base de datos (Ver Figura 34), que contiene programas y normas estandarizadas predefinidas de la ASTM, ISO, EN, BS, DIN, entre otras [44]; como la ASTM D638, usada en esta investigación. Además, presenta gráficos 50

51 con datos suficientes y necesarios para una investigación de caracterización de propiedades mecánicas. Figura 33. Interfaz Software Horizon Fuente: Tinius Olsen [44] Figura 34. Base de datos del Horizon Fuente: Tinius Olsen [44] 51

52 Realización de ensayo de tensión según norma ASTM D638 Con el objetivo de caracterizar la resistencia a la tensión de estructuras porosas fabricada con el filamento de PLA/HA, se realizó según la norma ASTM D638 para materiales plásticos, el ensayo de tensión a cada muestra (Ver Figura 35). Donde explica las consideraciones del montaje de la probeta en la máquina de ensayos y puesta en marcha, como lo es la alineación del eje longitudinal de la probeta con la línea imaginaria que une las dos mordazas; la medición previa del ancho y grosor del área de encuellamiento con instrumentos de medición con precisión de 0,025 mm; establecer la velocidad de la prueba a la velocidad indicada según el tipo de probeta (Ver Figura 36), siendo 5 mm/min para este caso; entre otras consideraciones. Figura 35. Ensayo de tensión. a) Muestra de algunas probetas después del ensayo de tracción; b) Ejemplo de falla de probeta. a) b) 52

53 Figura 36. Velocidad del ensayo de tensión Fuente: ASTM D638 [40] 5.3. ANÁLISIS MORFOLÓGICO Se realizó un análisis morfológico a un grupo específico de probetas que contaban con variedad en los parámetros de proceso y concentración de HA. Analizando así las probetas A2 (concentración de HA= 0%, porosidad= 70%, espesor de capa= 0,2 mm; ángulo de trama= 0-90 ) y B5 (concentración de HA= 2,5%, porosidad= 50%, espesor de capa= 0,2 mm; ángulo de trama= ), utilizando un microscopio digital AM4013MT (Ver Figura 37) de la empresa AnMo Electronics Corpotarion (Ver Tabla 17); para evidenciar diferencias microscópicas en su fabricación que puedan influir en los resultados obtenidos en los ensayos a tensión. Figura 37. Microscopio digital AM4013MT 53

54 Tabla 17. Especificaciones técnicas del microscopio digital AM4013MT Fabricante País Modelo Resolución Rango de Aumento Cuadros por segundo Formatos de Guardado Iluminación 8 luces LED blancas Sistema Operativo Compatible Windows 10, 8, 7, Vista, XP MAC OS 10.4 o superior Peso 140 gramos Dimensiones 10.5 cm x 3.2 cm Fuente: AnMo Electronics Corporation [45] AnMo Electronics Corporation China AM4013MT Dino-Lite Premier 1.3 Mega Pixeles (SXGA) 20x, 50x, 200x Hasta 30fps Imagen: DinoCapture2.0, BMP, GIF, PNG, MNG, TIF, TGA, PCX. Video: DinoCapture2.0, WMV, FLV, SWF Figura 38. Detalle morfológico de la probeta A2. a) Vista superior del andamio; b) Vista lateral (zona de falla); c) Vista superior de la zona de falla; d) Vista frontal de la zona de falla A2 (HA= 0%, porosidad=70%, espesor de capa= 0,2mm, ángulo de trama= 0-90 ) a) b) c) d) 54

55 En la micrografía tomada desde la parte superior de la Figura 38 a) se observa la configuración de los filamentos de la probeta A2, mostrando el ángulo de impresión de cada capa (0 y 90 ), que a diferencia de la probeta B5 (Ver Figura 39 a) su configuración muestra un ángulo de trama de 45 y 135 en cada capa. También podemos diferenciar la porosidad de cada estructura, siendo más porosa la probeta A2 (70%), pues la distancia entre filamentos es mayor, por tanto el tamaño de poro también lo es. En contraste en la probeta B5 se observa mayor número de filamentos por capa y menor espacio entre ellos, debido al menor porcentaje de porosidad (50%). En las Figura 38 b) y Figura 39 b) se puede apreciar el espesor de capa de las probetas, así como los patrones de impresión en la vista lateral. En la probeta A2 se percibe un mayor orden en los filamentos y el espesor de capa más homogéneo a diferencia de los filamentos de la probeta B5, que como se supuso para probetas con concentración de HA, se depositaron capas con espesores de capa distintos al parametrizado. Lo cual se explica por los problemas de producción anteriormente mencionados, principalmente por la obstrucción del flujo de filamento fundido, gracias a la acumulación de la HA; y por los cambios de diámetro en el filamento de alimentación. Figura 39. Detalle morfológico de la probeta B5. a) Vista superior del andamio; b) Vista lateral del andamio; c) Vista superior de la zona de falla; d) Vista frontal zona de falla B5 (HA= 2,5%, porosidad=50%, espesor de capa= 0,2mm, ángulo de trama= ) a) b) c) d) 55

56 Podemos observar en las Figura 38 c) y Figura 39 c) la zona de falla desde la vista superior y más en detalle desde la vista frontal en las Figura 38 d) y Figura 39 d). La probeta A2 muestra una falla a cero grados (perpendicular a la longitud de la probeta), indicando una distribución de carga y diámetro uniforme en los filamentos, que por su configuración además, soportan esfuerzos normales, que explican esta forma de fractura. En cuanto a la probeta B5, la falla se presentó a 45 y en dos zonas (Ver Figura 39 d), posiblemente debido a que la mayoría de los diámetros de los filamentos fundidos en una dirección eran menores a los diámetros de las capas con la configuración en la otra dirección. Algo muy importante de resaltar, es que la concentración de HA se logra diferenciar por las propiedades ópticas de cada muestra, pues los filamentos de la probeta A2 dejan pasar mejor la luz, reflejándose en el brillo que muestra debido a la iluminación de los leds del microscopio. A diferencia de las probetas B5, que por su concentración de HA, no dejan pasar la luz de forma apreciable CONCLUSIONES DEL CAPÍTULO Para la realización de los ensayos de tensión se seleccionan probetas tipo I, pues son las más usadas en investigaciones de plásticos rígidos y semirrígidos, si se dispone de material suficiente El software laminador usado para la generación de los G-CODES fue Cura , el cual fue de gran importancia para la parametrización de estructuras porosas con los factores y niveles especificados en el diseño experimental Debido a la ausencia de filamentos con condiciones adecuadas para la impresión, especialmente la longitud necesaria para la impresión de probetas totalmente terminadas, se usaron varios tramos de filamento que se cambiaban al hacer pausas en las impresiones hasta terminar la fabricación completa de las probetas En consecuencia, de los cambios en el diámetro a lo largo de los filamentos impresos, la máquina fundía y depositaba material de más o insuficiente, dependiendo del diámetro parametrizado en Cura; lo que ocasionó la variación de espesores de filamento fundido a lo largo de cada capa Gracias a la acumulación del polvo cerámico en la boquilla de impresión, se obstruía la salida de material fundido, a tal punto de parar la deposición de material. Por lo cual se desecharon algunas probetas y otras se aceptaron con la ausencia de las últimas capas, solo sí, el proceso de impresión tenía un porcentaje mayor al 90%. Se logró obtener todas las probetas de PLA/HA en 0 y 2,5% de concentración (16 en total). En la concentración de 5% solo se pudieron obtener cinco probetas, debido a los contantes paros de impresión por la acumulación de cerámico en la boquilla. Horizon es un software de adquisición de datos muy completo, que cuenta con ayudas multimedia adecuadas para realizar ensayos y proporciona gráficos y datos para caracterización mecánica de materiales. 56

57 6. RESULTADOS Y ANÁLISIS ESTADÍSTICO DE LOS DATOS Con los resultados obtenidos en el ensayo de tensión, suministrados por el programa Horizon, se generaron las curvas de esfuerzo vs. deformación para cada una de las probetas fabricadas, las cuales se pueden observar en el Anexo A. Estos resultados son analizados estadísticamente para saber la influencia de cada factor en las variables de salida CURVAS DE ESFUERZO VS DEFORMACIÓN Según la investigación de Rodríguez y Restrepo [31], en la curva de esfuerzo vs. deformación para estructuras fabricas por FFF en PLA (Ver Figura 40), se identifican dos zonas: La primera se encuentra definida desde el punto de esfuerzo cero, hasta el esfuerzo de fluencia, suele ser una recta con pendiente que representa al módulo de elasticidad; en esta zona el material es capaz de recuperar su forma original una vez se retira la carga. La segunda zona comienza después de alcanzar el esfuerzo de fluencia, y es donde el material se comporta plásticamente y no puede recuperar su forma original después de retirada la carga. Por último, el punto donde el material no es capaz de soportar el esfuerzo producido por la aplicación de la carga y produce la rotura, se denomina esfuerzo último a tensión. Figura 40. Curva esfuerzo vs deformación obtenida en este proyecto de probeta de PLA con 50% en porosidad, espesor de capa de 0,2 mm y ángulo de trama de 0-90 Algunas de las gráficas obtenidas en los ensayos no muestran continuidad en las curvas y presentan pequeñas variaciones en su comportamiento (Ver Figura 41). Esto es un comportamiento típico de materiales no homogéneos dispuestos en forma fibras debido a que el esfuerzo puede romper algunos filamentos, pero otros resisten y siguen soportando un aumento de carga hasta que se presenta una falla total. Este comportamiento también puede ser debido a los problemas de fabricación del filamento y probetas mencionados anteriormente, principalmente por la ausencia de material fundido por los cambios de 57

58 filamento mientras se imprimía o por la alimentación con diámetros menores al parametrizado, lo que dejaba vacíos en las capas. También, el reprocesamiento del PLA para cada cambio de estado, ocasionaba cambios en las propiedades del polímero al debilitar sus enlaces en cada proceso, por lo cual, los filamentos que conforman las capas de las probetas son más cristalinos y frágiles. Adicionalmente, es posible que la fuerza de agarre de las mordazas de la maquina no fue suficiente en ocasiones para que las probetas no se deslizaran, generando discontinuidades en las curvas. Figura 41. Discontinuidades en las curvas esfuerzo vs deformación. a) Probeta con 2,5% de HA, porosidad de 50%, espesor de capa de 0.35 mm y ángulo de trama de ; b) Probeta con 2,5% de HA, porosidad de 70%, espesor de capa de 0.35 mm y ángulo de trama de a) b) 6.2. RESULTADOS DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS A TENSIÓN Además de generar las curvas de esfuerzo vs deformación se obtuvieron los resultados de los esfuerzos máximos, módulo de elasticidad y porcentaje de alargamiento para cada probeta, los cuales son sintetizados en la Tabla

59 Tabla 18. Resultados de propiedades mecánicas en las probetas del diseño experimental PROBETAS PARÁMETROS DE IMPRESIÓN Porcentaje de HA (%) Porosidad (%) Espesor de Capa (mm) Angulo de trama ( ) PROPIEDADES MECÁNICAS Esfuerzo último a tensión (MPa) Módulo de elasticidad (GPa) Porcentaje de alargamiento (%) 1 A ,2 0 12,05 0,792 1,64 2 B1 2,5 50 0,2 0 13,12 0,985 1,73 3 A ,2 0 5,29 0,541 1,1 4 B2 2,5 70 0,2 0 2,5 0,454 0,62 5 A ,35 0 4,67 0,471 1,2 6 B3 2,5 50 0, ,84 0,791 1,6 7 A ,35 0 6,26 0,426 1,8 8 B4 2,5 70 0,35 0 4,35 0,282 1,63 9 A ,2 45 6,07 0,374 4,95 10 B5 2,5 50 0,2 45 5,13 0,31 3,26 11 A ,2 45 2,7 0,104 5,04 12 B6 2,5 70 0,2 45 2,18 0,093 4,28 13 A , ,1 0,378 10,66 14 B7 2,5 50 0, ,06 0,208 13,43 15 A , ,9 0,067 17,9 16 B8 2,5 70 0, ,13 0,032 28,33 Para el esfuerzo último a tensión (Ver Figura 42) y módulo de elasticidad (Ver Figura 43), las probetas A1, B1 y B3 diseñadas con una porosidad del 50% y un ángulo de trama de 0-90, presentaron los valores más altos (12,05; 13,12 y 10,84 MPa para el esfuerzo último; y 0,792; 0,985 y 0,791 GPa para el módulo de elasticidad, respectivamente), indicando que soportaron mayor carga antes de su falla y que tienen mayor rigidez como estructuras porosas; mientras que las probetas A8 y B8 con porosidad del 70% y ángulo de trama de , presentaron los valores más bajos (1,9 y 1,13 MPa para el esfuerzo último; y 0,067 y 0,032 GPa para el módulo de elasticidad, respectivamente). Sin embargo, las probetas A8 y B8 en contraste, presentaron los valores máximos de alargamiento a rotura (Ver Figura 44) registrando un alargamiento de 17,9 y 28,33% respectivamente. 59

60 Modulo de elasticidad (GPa) Esfuerzo Último a tensión (MPa) Figura 42. Comparación gráfica del esfuerzo último a tensión entre las probetas del diseño experimental A1 B1 A2 B2 A3 B3 A4 B4 A5 B5 A6 B6 A7 B7 A8 B8 Probetas Figura 43. Comparación gráfica del módulo de elasticidad entre probetas del diseño experimental 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 A1 B1 A2 B2 A3 B3 A4 B4 A5 B5 A6 B6 A7 B7 A8 B8 Probetas 60

61 Porcentaje de Alargamiento (%) Figura 44. Comparación gráfica del alargamiento de rotura entre probetas del diseño experimental A1 B1 A2 B2 A3 B3 A4 B4 A5 B5 A6 B6 A7 B7 A8 B8 Probetas Así como en el análisis anterior con las probetas de 0 y 2,5% en concentración de HA propuestas en el diseño experimental, también se realizó un análisis adicional sólo para verificar la similitud de las propiedades mecánicas de las probetas de 0% de HA con probetas fabricadas con PLA comercial. Tabla 19. Resultados de propiedades mecánicas de probetas fabricadas con filamento de PLA producido en el proyecto y filamento comercial PROBETAS Fabricadas con filamento del proyecto Fabricadas con filamento comerciales PARÁMETROS DE IMPRESIÓN Espesor Porosidad de (%) Capa (mm) Porcentaje de HA (%) Angulo de trama ( ) PROPIEDADES MECÁNICAS Módulo Porcentaje de de elasticidad alargamiento (GPa) (%) Esfuerzo último a tensión (MPa) A ,2 0 12,5 0,792 1,64 A ,2 0 5,29 0,541 1,1 A ,35 0 4,67 0,471 1,2 A ,35 0 6,26 0,426 1,8 A ,2 45 6,07 0,374 4,95 AC ,2 0 13,61 0,885 1,95 AC ,2 0 5,36 0,343 1,84 AC , ,27 0,623 1,73 AC ,35 0 6,35 0,352 2,05 AC ,2 45 6,17 0,326 16,62 61

62 Esfuerzo Último a tensión (MPa) Comparando los esfuerzos máximos de las probetas del proyecto con las comerciales (Ver Figura 45), se observa una similitud en los valores de probetas con iguales parámetros de impresión, con una desviación máxima de 1,11 MPa entre las probetas A1 y AC1; exceptuando los valores de la probeta A4 que a diferencia de las AC4 tiene una desviación de 5,9 MPa, debido posiblemente a factores anteriormente mencionados en la manufactura, materiales y equipos usados. Figura 45. Comparación gráfica del esfuerzo último de tensión de probetas fabricadas con los mismos parámetros geométricos con filamento de PLA producido en el proyecto y filamento comercial Fabricación con filamento con 0% de HA Fabricación con filamento comercial Probetas Para el módulo de elasticidad (Ver Figura 46) no se apreció la misma similitud en los resultados por la dispersión en los valores en la zona elástica, gracias a filamentos de las capas quebradizos ya mencionados o el deslizamiento de las probetas en la mordaza. Esto también afecta a los valores del alargamiento (Ver Figura 47), como en el caso de las probetas A5 y AC5 que, teniendo los mismos parámetros de impresión, presentaron una desviación de 11,67% de alargamiento. Sin embargo, las demás probetas si muestran valores con desviaciones menores, siento siempre mayor los valores de las probetas comerciales como en el esfuerzo máximo. 62

63 Alargamiento de rotura Módulo de elasticidad (GPa) Figura 46. Comparación gráfica del módulo de elasticidad de probetas fabricadas con filamento de PLA producido en el proyecto y filamento comercial 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Probetas Fabricación con filamento con 0% de HA Fabricación con filamento comercial Figura 47. Comparación gráfica del alargamiento de rotura de probetas fabricadas con filamento de PLA producido en el proyecto y filamento comercial Fabricación con filamento con 0% de HA Fabricación con filamento comercial Probetas Finalmente se obtuvieron y compararon los resultados de las probetas de 5% obtenidas con las de 2,5% de HA. Ver Tabla

64 Esfuerzo último a tensión (MPa) Tabla 20. Resultados de propiedades mecánicas de probetas con 2,5 y 5% de HA PROBETAS Porcentaje de HA (%) PARÁMETROS DE IMPRESIÓN Porosidad (%) Espesor de Capa (mm) Ángulo de trama ( ) PROPIEDADES MECÁNICAS Esfuerzo último a tensión (MPa) Módulo de elasticidad (GPa) Porcentaje de alargamient o (%) 1 B1 2,5 50 0,2 0 13,12 0,985 1,73 2 C ,2 0 12,89 0,908 1,52 3 B2 2,5 70 0,2 0 2,5 0,454 0,62 4 C ,2 0 3,98 0,418 1,05 5 B4 2,5 70 0,35 0 4,35 0,282 1,63 6 C ,35 0 3,75 0,359 1,21 7 B6 2,5 70 0,2 45 2,18 0,093 4,28 8 C ,2 45 1,81 0,066 4,37 9 B8 2,5 70 0, ,13 0,032 28,33 10 C , ,12 0,017 26,66 Según los resultados las probetas que mostraron valores mayores de esfuerzo último a tensión (Ver Figura 48) y módulo de elasticidad (Ver Figura 49), fueron las muestras B1 y C1 con valores de 13,12 y 12,89 MPa en su esfuerzo máximo; y 0,985 y 0,908 GPa para el módulo de elasticidad, respectivamente. Mientras que las probetas B8 y C8 presentaron los valores mínimos, con 1,13 y 0,12 MPa en su esfuerzo máximo; y 0,032 y 0,017 GPa para el módulo de elasticidad. Figura 48. Comparación gráfica del esfuerzo último a tensión entre probetas de 2,5 y 5% de HA B1 C1 B2 C2 B4 C4 B6 C6 B8 C8 Probetas 64

65 Alargamiento de rotura (%) Módulo de elsticidad (GPa) Figura 49. Comparación gráfica del módulo de elasticidad entre probetas de 2,5 y 5% de HA 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 B1 C1 B2 C2 B4 C4 B6 C6 B8 C8 Probetas Al igual que los resultados anteriores las probetas que presentan valores máximos en su porcentaje de alargamiento son las de 70% en porosidad, espesor de capa de 0,2 mm y ángulo de trama de , como se ve en las probetas B8 y C8 (Ver Figura 50) con valores de 28,33 y 26,66%. Figura 50. Comparación gráfica del alargamiento de rotura entre probetas de 2,5 y 5% de HA B1 C1 B2 C2 B4 C4 B6 C6 B8 C8 Probetas 65

66 Según los resultados obtenidos de las probetas de 2,5 y 5% en concentración de HA, aparentemente no hay un gran efecto en las propiedades, ni una tendencia en los resultados al aumentar la concentración de HA, esto probablemente es debida a la poca concentración de HA ANÁLISIS DE REGRESIÓN LINEAL El análisis de regresión lineal nos ayuda a saber la relación y el comportamiento de las propiedades mecánicas bajo la influencia de los factores y niveles del diseño experimental [46]. Con ayuda del software estadístico Minitab 16 se obtuvieron los valores del coeficiente de determinación (R 2 ), y la ecuación de predicción de una variable de respuesta mediante una regresión lineal (Ver Tabla 21 y Anexo B). Tabla 21. Modelo de regresión (propiedades mecánicas vs parámetros de impresión) PROBETAS CON 0 Y 2,5% DE HA Propiedades mecánicas Ecuación de regresión R 2 Esfuerzo último a tensión Módulo de elasticidad Porcentaje de alargamiento 23,0383-0,1365 HA - 0, Porosidad - 8,94167 Espesor de Capa - 0, Ángulo de trama 1, ,0001 HA - 0, Porosidad - 0, Espesor de Capa - 0, Ángulo de trama -19, ,5295 HA + 0, Porosidad + 44,9417 Espesor de Capa + 0, Ángulo de trama 71,62% 88,09% 65,20% El coeficiente de determinación (R 2 ) es una medida cuantitativa que indica la cercanía de los valores predichos por la regresión con respecto al conjunto de datos reales [47]. Por lo general, entre mayor es el R 2, mejor será el ajuste del modelo a sus datos [48]. En ese sentido se puede decir que los datos del módulo de elasticidad son los que más se acercan al modelo de la regresión con un R 2 de 88,09%, mientras que hubo una mayor variabilidad en los datos del porcentaje de alargamiento con respecto al modelo de la regresión, con un R 2 de 65,20% ANÁLISIS DE VARIANZA Mediante los análisis de varianza (ANOVA) se logra observar los factores que tienen más influencia sobre cada una de las variables de salida (Esfuerzo último a tensión, módulo de elasticidad y porcentaje de alargamiento). 66

67 Tabla 22. ANOVA probetas de diseño experimental a) ANOVA Esfuerzo último a tensión vs parámetros de impresión Fuente GL SC Contribución SC Ajust. MC Ajust. Factor F Factor p Regresión 4 142,376 71,64% 142,376 35,594 6,9411 0, HA 1 0,466 0,23% 0,466 0,4658 0,0908 0, Porosidad 1 75,386 37,93% 75,386 75, ,7008 0, Espesor 1 7,196 3,62% 7,196 7,1958 1,4032 0, Ángulo 1 59,408 29,89% 59,408 59, ,5695 0, Error 11 56,408 28,38% 56,408 5,128 Total , % b) ANOVA Módulo de elasticidad vs parámetros de impresión Fuente GL SC Contribución SC Ajust. MC Ajust. Factor F Factor p Regresión 4 1, ,09% 1, , , , HA 1 0 0,00% , Porosidad 1 0, ,63% 0, , ,4328 0, Espesor 1 0, ,34% 0, , ,9338 0, Ángulo 1 0, ,12% 0, , ,9667 0, Error 11 0, ,91% 0, , Total 15 1, % c) ANOVA Porcentaje de alargamiento vs parámetros de impresión Fuente GL SC Contribución SC Ajust. MC Ajust. Factor F Factor p Regresión 4 585,725 65,20% 585, ,431 5,1552 0, HA 1 7,009 0,78% 7,009 7,009 0,2466 0, Porosidad 1 30,886 3,44% 30,886 30,886 1,0867 0, Espesor 1 181,778 20,23% 181, ,778 6,3959 0, Ángulo 1 366,053 40,75% 366, ,053 12,8797 0, Error ,63 34,80% 312,63 28,421 Total , % Fuente: Minitab 16 [49] De acuerdo a los resultados de los ANOVA de la Tabla 22: El valor del esfuerzo último a tensión tuvo mayor influencia de la porosidad y ángulo de trama (37,93 y 29,89%, respectivamente) y se vio muy poco afectado por el porcentaje de contracción de HA, con una contribución del 0,23%. 67

68 El ángulo de trama tuvo una gran contribución en los valores del módulo de elasticidad (54,12%), mientras que la concentración de HA no tuvo efecto alguno en este valor (0%). Para el porcentaje de alargamiento los valore más influyentes fueron el ángulo de trama y espesor de capa, con una contribución de 40,75 y 20,23%, respectivamente. Nuevamente la influencia de la concentración de HA fue muy poca (0,78%), seguramente debido a la baja concentración. Después del análisis estadístico del ensayo de tensión mediante análisis e varianza, se identificaron los parámetros y las interacciones entre ellos que mejoraron las propiedades mecánicas de las probetas. Figura 51. Efectos principales de los factores de proceso con respecto al Esfuerzo máximo Fuente: Minitab 16 [49] En la Figura 51 se observa como el aumento del esfuerzo último es inversamente proporcional a los factores de proceso. Figura 52. Efectos principales de los factores de proceso con respecto al módulo de elasticidad Fuente: Minitab 16 [49] 68

69 Al igual que en el esfuerzo último la variación de los factores del proceso es inversamente proporcionales al módulo de elasticidad (Ver Figura 52), a excepción del porcentaje de HA, que no tiene efecto en dicho valor. Figura 53. Efectos principales de los factores de proceso con respecto al porcentaje de alargamiento Fuente: Minitab 16 [49] Finalmente, como se aprecia en la Figura 53 el aumento del porcentaje de alargamiento se ve afectado directamente por el aumento de los parámetros de proceso CONCLUSIONES DEL CAPÍTULO En algunas gráficas de esfuerzo vs deformación se observaron discontinuidades en las curvas y variaciones en el comportamiento, a causa de los problemas de manufactura, materiales y equipos utilizados. Los valores de esfuerzo último a tensión más altos de las probetas del diseño experimental fueron 12,05 y 13,12 MPa, en A1 y B1, respectivamente, diseñadas con porosidad del 50%, espesor de capa de 0,2 mm y un ángulo de trama de 0-90, diferenciando de por su concentración de HA. Las probetas del diseño experimental que mostraron los valores más altos de módulo de elasticidad fueron las probetas A1 y B1, con un valor de 0,792 y 0,985 GPa, respectivamente Las probetas A8 y B8 diseñadas con un espesor de capa de 0,35 mm y un ángulo de trama de , diferenciándose por su concentración de HA y porosidad (50 y70% respectivamente), mostraron los resultados más altos del porcentaje de alargamiento, con valores de 17,9 y 28,33% respectivamente. Se observaron similitudes en los esfuerzos máximos de las probetas fabricadas con filamento del proyecto y filamento comercial, con una desviación máxima entre las 69