Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales

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
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
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
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
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
ÍNDICE
Agradecimientos
vii
Resumen
ix
Índice
xi
Índice de Tablas
xv
Índice de Figuras
xvii
Capítulo 1. Introducción
1.1 Objetivo del Proyecto
1.2 Estructura del documento
1
4
4
Capítulo 2. Fabricación aditiva
2.1 Reseña Histórica
2.2 Fases del proceso
2.3 Ventajas
2.4 Limitaciones
2.5 Tecnologías de fabricación aditiva
2.6 Sectores de Aplicación
5
7
7
8
9
10
12
Capítulo 3. Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos
3.1 Características generales de la impresora
3.2 Componentes de la impresora
3.2.1
Vista trasera
3.2.2
Vista frontal
3.2.3
Vista en planta
3.3 Materiales
3.4 Accesorios
3.4.1
Calzadores de nivelación
3.4.2
Portacarretes de nailon
3.4.3
Pegamento de barra
3.4.4
Espátula
3.4.5
Pinzas
3.4.6
Inyectores
3.4.7
Tubo de conexión de la caja de pelicano con la impresora
3.4.8
Tubos Bowden de conexión con el inyector de compuesto
3.4.9
Escariador
3.4.10 Lubricante para la instalación de los inyectores
3.4.11 Tapón para sellar la caja de pelicano
3.4.12 Herramientas
3.4.13 Cable de extensión USB
3.4.14 Cable USB A-B
3.4.15 Dispositivo USB MarkForged
3.5 Preparación y configuración de la impresora antes de su puesta en marcha
3.5.1
Conexión de la caja de pelícano con la impresora
15
17
19
19
20
24
25
26
26
26
27
27
28
28
28
29
29
30
30
30
31
31
31
32
32
xi
3.5.2
Instalación del filamento de nailon
3.5.3
Instalación del filamento de compuesto
3.5.4
Instalación del firmware en la impresora
3.5.5
Nivelación de la cama de impresión
3.6 Puesta en marcha de la impresora – Fabricación de piezas
3.6.1
Preparación de la cama de impresión
3.6.2
Inicio de la fabricación
3.6.3
Pausar la fabricación
3.6.4
Extracción de las piezas fabricadas
3.7 Mantenimiento
3.7.1
Cambio del inyector de fibra
3.7.2
Almacenamiento de materiales
3.7.3
Filamento de nailon
3.7.4
Filamento de compuesto
3.8 Software de diseño Eiger
3.8.1
Pantalla de inicio
3.8.2
Diseño e importación al software de diseño Eiger
3.8.3
Menú de configuración de las características de la pieza
3.8.4
Entorno de visión interna de la pieza previamente configurada
3.9 Configuración de la impresión
32
35
38
40
43
43
43
45
47
48
48
50
50
50
51
51
55
56
67
74
Capítulo 4. Caracterización de los materiales
4.1 Ensayos de caracterización mecánica
4.1.1
Determinación de las características de rigidez
4.1.2
Fabricación de las probetas y control dimensional
4.1.3
Instrumentación
4.1.4
Resultados de los ensayos
4.1.5
Nailon – Ensayos de tracción
4.1.6
Resumen caracterización de material y comparación con datasheet Mark One
4.2 Ensayos de caracterización física
4.3 Microscopía
4.3.1
Compuesto de fibra de vidrio
4.3.2
Compuesto de fbra de carbono
4.3.3
Determinación del volumen de huecos
77
79
80
82
98
100
121
122
124
126
127
128
130
Capítulo 5. Aplicaciones
5.1 Piezas con soportes
5.1.1
Probeta con tacones de fibra de vidrio
5.1.2
Esfera hueca de nailon
5.1.3
Pieza de nailon con forma de V
5.2 Moldes de nailon para autoclave
5.2.1
Molde semi-esférico
5.2.2
Molde en escalón
5.2.3
Rigidizador con forma de Ω
5.2.4
Conclusiones del efecto del curado
5.3 Otras piezas de nailon
135
137
137
138
140
141
141
145
146
148
148
Capítulo 6. Consideraciones y aspectos a destacar
6.1 Tiempo de fabricación
6.2 Durante la fabricación
6.3 Coste de la fabricación aditiva frente a la fabricación tradicional
151
153
157
158
Capítulo 7. Conclusiones y desarrollos futuros
7.1 Conclusiones
7.2 Desarrollos futuros
7.2.1
Mejoras en el proceso
159
161
162
162
7.2.2
7.2.3
Caracterización del material
Fabricación de piezas
162
163
Referencias
165
xiii
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 90°
86
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 4-10. Control dimensional de las probetas de nailon
97
Tabla 4-11. Resultados experimentales FV 0° Tracción (Rigidez)
102
Tabla 4-12. Resultados experimentales FV 0° Tracción (Resistencia)
103
Tabla 4-13. Resultados experimentales FV 90° Tracción
105
Tabla 4-14. Resultados experimentales FV ±45° Tracción (Rigidez)
107
Tabla 4-15. Resultados experimentales FV ±45° Tracción (Resistencia)
108
Tabla 4-16. Resultados experimentales FV 0° Compresión (Rigidez)
111
Tabla 4-17. Resultados experimentales FV 0° Compresión (Resistencia)
112
Tabla 4-18. Resultados experimentales FC 0° Tracción (Rigidez)
114
Tabla 4-19. Resultados experimentales FC 0° Tracción (Resistencia)
115
Tabla 4-20. Resultados experimentales FC 0° Compresión (Rigidez)
117
Tabla 4-21. Resultados experimentales FC 0° Compresión (Resistencia, probetas sin tacones)
118
Tabla 4-22. Resultados experimentales FC 0° Compresión (Resistencia, probetas con tacones)
120
Tabla 4-23. Resultados experimentales probetas de nailon (Rigidez)
122
Tabla 4-24. Resumen de las propiedades mecánicas del compuesto de fibra de vidrio
123
Tabla 4-25. Resumen de las propiedades mecánicas del compuesto de fibra de carbono
123
Tabla 4-26. Resumen de las propiedades mecánicas del nailon
124
Tabla 4-27. Porcentaje de fibra y resina del filamento de compuesto de fibra de vidrio
125
xv
xvi
Índice de Tablas
Tabla 4-28. Porcentaje de fibra y resina del filamento de compuesto de fibra de carbono
126
Tabla 4-29. 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
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 3-10. Portacarretes del filamento de compuesto
22
Figura 3-11. Tubo de alimentación del filamento de compuesto
23
Figura 3-12. Limpiador de la boquilla de nailon
23
Figura 3-13. Cama de impresión
24
Figura 3-14. Vista en planta de la impresora
24
Figura 3-15. Extrusoras del filamento de compuesto y del filamento de nailon
25
Figura 3-16. Carretes de material (nailon y compuesto de fibra de vidrio)
25
Figura 3-17. Filamentos de compuesto de fibra de carbono y de fibra de vidrio
25
Figura 3-18. Pack de accesorios de la impresora
26
Figura 3-19. Calzadores de nivelación
26
Figura 3-20. Portacarretes del rollo de Nailon
27
Figura 3-21. Pegamento de barra-lubricante entre las piezas y la cama de impresión
27
Figura 3-22. Espátula para la extracción de las piezas
27
Figura 3-23. Pinzas
28
Figura 3-24. Inyectores nuevos y dañados
28
Figura 3-25. Inyectores de repuesto
28
Figura 3-26. Tubo de conexión de la caja seca de pelícano con la impresora
29
xvii
Figura 3-27. Tubos de inserción en el inyector de compuesto
29
Figura 3-28. Obstrucción de material en el tubo de inserción del inyector
29
Figura 3-29. Escariador
29
Figura 3-30. Lubricante para la instalación de los inyectores
30
Figura 3-31. Tapón para sellar la caja de pelícano
30
Figura 3-32. Destornilladores y llave Allen
30
Figura 3-33. Extensión del puesto USB
31
Figura 3-34. Cable USB A-B
31
Figura 3-35. Dispositivo USB MarkForged
31
Figura 3-36. Conexión de la caja seca de pelícano con la impresora
32
Figura 3-37. Bolsa desecante
32
Figura 3-38. Colocación del rollo de nailon en el portacarretes
33
Figura 3-39. Conducción del filamento de nailon de la caja de pelicano a la impresora
33
Figura 3-40. Introducción del filamento de nailon en la extrusora
33
Figura 3-41. Material extruido tras cargar el filamento de nailon
34
Figura 3-42. Tubo conectado a la extrusora de nailon
34
Figura 3-43. Eliminación del filamento de nailon del tubo
35
Figura 3-44. Fijación del tubo a la extrusora de nailon
35
Figura 3-45. Inserción del filamento de compuesto en el tubo
35
Figura 3-46. Sentido de desenrollarse el carrete de filamento de compuesto
36
Figura 3-47. Introducción del filamento de compuesto en la extrusora
36
Figura 3-48. Ayuda para la introducción del filamento de compuesto en la extrusora
37
Figura 3-49. Expulsión del filamento de compuesto una vez cargado
37
Figura 3-50. Eliminación del filamento de compuesto tras ser cargado
38
Figura 3-51. Descarga del firmware desde Eiger (1)
38
Figura 3-52. Descarga del firmware desde Eiger (2)
39
Figura 3-53. Instalación del firmware (1)
39
Figura 3-54. Instalación del firmware (2)
39
Figura 3-55. Instalación del firmware (3)
40
Figura 3-56. Calzadores para la nivelación de la cama de impresión
40
Figura 3-57. Instalación de la cama de impresión
41
Figura 3-58. Calzador para el inyector de nailon
41
Figura 3-59. Ajuste de la altura del inyector de nailon
42
Figura 3-60. Ajuste de la altura del inyector de compuesto
42
Figura 3-61. Aplicación de pegamento de barra sobre la cama de impresión
43
Figura 3-62. Limpieza de la cama de impresión
43
Figura 3-63. Botón para encender la impresora
44
Figura 3-64. Pantalla de inicio de la impresora
44
Figura 3-65. Pantalla de la impresora durante la fabricación
45
Figura 3-66. Barra de proceso en la pantalla de la impresora
45
Figura 3-67. Pantalla de la impresora tras pausar la impresión
45
Figura 3-68. Pantalla de la impresora tras finalizar la fabricación
46
Figura 3-69. Temperatura de los inyectores tras la fabricación
46
Figura 3-70. Temperatura adecuada para iniciar la fabricación
46
Figura 3-71. Extracción de una pieza de la cama de impresión
47
Figura 3-72. Cama de impresión dañada
47
Figura 3-73. Pieza con soportes
48
Figura 3-74. Eliminación de soportes
48
Figura 3-75. Cambio del inyector del filamento de compuesto (1)
48
Figura 3-76. Cambio del inyector del filamento de compuesto (2)
49
Figura 3-77. Extracción del inyector del filamento de compuesto
49
Figura 3-78. Instalación del inyector del filamento de compuesto (1)
50
Figura 3-79. Instalación del inyector del filamento de compuesto (2)
50
Figura 3-80. Página de inicio de Eiger
51
Figura 3-81. Librería de Eiger
51
Figura 3-82. Librería de Eiger – Iconos en 3D de las piezas
54
Figura 3-83. Librería de Eiger- lista de piezas
54
Figura 3-84. Diseño de pieza en Catia
55
Figura 3-85. Área mínima para la deposición de la fibra
57
Figura 3-86. Diseño del mallado Concentric Fiber del material compuesto
58
Figura 3-87. Diseño del mallado Isotropic Fiber del material compuesto
58
Figura 3-88. Diseño del mallado Full Fiber del material compuesto
58
Figura 3-89. Probeta con Full Fiber
59
Figura 3-90. Probeta con Isotropic Fiber
59
Figura 3-91. Configuración de las capas de material
59
Figura 3-92. Pieza que requiere soportes
60
Figura 3-93. Soportes en dirección 0°
61
Figura 3-94. Soportes en dirección 90°
61
Figura 3-95. Sobredimensionamiento de la base de las piezas
62
Figura 3-96. Mallado de nailon hexagonal
63
Figura 3-97. Mallado de nailon rectangular
63
Figura 3-98. Mallado de nailon triangular
64
Figura 3-99. Densidad del nailon: 100%
64
Figura 3-100. Densidad del nailon: 20%
64
Figura 3-101. Vista general de Eiger tras configurar las propiedades de la pieza
66
Figura 3-102. Entorno de visión interna 3D
67
Figura 3-103. Entorno de visión interna 2D
71
Figura 3-104. Configuración del mallado del material compuesto Concentric Fiber (1)
72
Figura 3-105. Configuración del mallado del material compuesto Concentric Fiber (2)
73
xix
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 90°
84
Figura 4-8. Probetas FV 90° Tracción
85
Figura 4-9. Bordes irregulares en las probetas con la fibra a 90°
85
Figura 4-10. Fabricación de las probetas FV ±45°
86
Figura 4-11. Bordes irregulares en las probetas con la fibra a ±45°
86
Figura 4-12. Probetas FV ±45° Tracción
87
Figura 4-13. Fabricación probetas FV 0° Compresión
88
Figura 4-14. Probetas FV 0° Compresión
88
Figura 4-15. Fabricación del panel para las probetas FC 0° Tracción
89
Figura 4-16. Panel de compuesto de fibra de carbono para obtener probetas unidireccionales
90
Figura 4-17. Radio de curvatura configuración del mallado Concentric fiber
90
Figura 4-18. Zona de extracción de probetas del panel de FC
90
Figura 4-19. Rebaba en el corte de las probetas
91
Figura 4-20. Probetas FC 0° Tracción (sin tacones)
91
Figura 4-21. Adhesión de tacones de fibra de vidrio a las probetas de FC
92
Figura 4-22. Probetas FC 0° Tracción (con tacones)
92
Figura 4-23. Probetas FC 0° Compresión (sin tacones)
93
Figura 4-24. Adhesión de tacones a las probetas de FC 0° Compresión
94
Figura 4-25. Probetas FC 0° Compresión (con tacones)
95
Figura 4-26. Fabricación de las probetas de Nailon con densidad del mallado del 100%
96
Figura 4-27. Probetas de Nailon con densidad del mallado del 100%
96
Figura 4-28. Fabricación de probeta de Nailon con densidad del mallado del 20%
97
Figura 4-29. Probetas de Nailon con densidad del mallado del 20%
97
Figura 4-30. Máquina de ensayo
98
Figura 4-31. Dispositivo de ensayo a compresión
98
Figura 4-32. Banda extensométrica XY31-3/120
99
Figura 4-33. Banda extensométrica LY41-6/120
99
Figura 4-34. Caja de bandas extensométricas
99
Figura 4-35. Extensómetro
100
Figura 4-36. Realización del ensayo a tracción FV 0°
100
Figura 4-37. Gráfico Tensión-Deformación longitudinal ensayo de tracción FV 0°
101
Figura 4-38. Gráfico Tensión-Deformación P2 FV Tracción
101
Figura 4-39. Gráfica Tensión-Desplazamiento de la cruceta ensayos de tracción FV 0°
102
Figura 4-40. Roturas a tracción probetas FV 0°
103
Figura 4-41. Realización ensayo de tracción FV 90°
104
Figura 4-42. Gráfico Tensión-Deformación longitudinal ensayo de tracción FV 90°
104
Figura 4-43. Comparación de acabado superficial de las probetas
105
Figura 4-44. Roturas a tracción probetas FV 90°
106
Figura 4-45. Realización ensayo de tracción FV ±45°
106
Figura 4-46. Gráfico Tensión-Deformación angular ensayo de tracción FV ±45°
107
Figura 4-47. Gráfica Tensión-Desplazamiento de la cruceta ensayos de tracción FV ±45°
108
Figura 4-48. Roturas a tracción probetas FV ±45°
109
Figura 4-49. Detalle rotura probetas FV ±45°
109
Figura 4-50. Realización ensayo de compresión FV 0°
110
Figura 4-51. Gráfico Tensión-Deformación longitudinal ensayo de compresión FV 0°
110
Figura 4-52. Gráfica Tensión-Desplazamiento de la cruceta ensayos de compresión FV 0°
111
Figura 4-53. Roturas a compresión probetas FV 0°
112
Figura 4-54. Realización ensayo de tracción FC 0°
113
Figura 4-55. Gráfico Tensión-Deformación longitudinal ensayo de tracción FC 0°
113
Figura 4-56. Gráfico Tensión-Deformación P5 FC
114
Figura 4-57. Gráfica Tensión-Desplazamiento de la cruceta ensayos de tracción FC 0°
115
Figura 4-58. Roturas a tracción probetas FC 0°
116
Figura 4-59. Realización ensayo de compresión FC 0°
116
Figura 4-60. Gráfico Tensión-Deformación longitudinal ensayo de compresión FC 0°
117
Figura 4-61. Gráfica Tensión-Desplazamiento de la cruceta ensayos de compresión FC 0° (sin tacones) 118
Figura 4-62. Roturas a compresión probetas FC 0° (sin tacones)
119
Figura 4-63. Gráfica Tensión-Desplazamiento de la cruceta ensayos de compresión FC 0° (con tacones) 119
Figura 4-64. Figura 4-65. Roturas a compresión probetas FC 0° (con tacones)
120
Figura 4-66. Realización ensayo de tracción probetas de nailon
121
Figura 4-67. Gráfico Tensión-Deformación probetas de nailon con densidad del mallado del 100%
121
Figura 4-68. Gráfico Tensión-Deformación probetas de nailon con densidad del mallado del 20%
122
Figura 4-69. Balanza de precisión
124
Figura 4-70. Calcinación en horno mufla
125
Figura 4-71. Filamento de compuesto de fibra de vidrio antes y después de calcinación
125
Figura 4-72. Filamento de compuesto de fibra de vidrio antes y después de calcinación
126
Figura 4-73. Embutición de piezas de material compuesto de fibra de vidrio y fibra de carbono
126
Figura 4-74. Microscopía x100 – compuesto de fibra de vidrio
127
Figura 4-75. Microscopía x200 – compuesto de fibra de vidrio
127
Figura 4-76. Microscopía x100 – compuesto de fibra de vidrio unidireccional
128
Figura 4-77. Microscopía x100 – compuesto de fibra de carbono unidireccional (1)
129
Figura 4-78. Microscopía x100 – compuesto de fibra de carbono unidireccional (2)
129
xxi
Figura 4-79. Volumen de huecos - Vista general Muestra 1
130
Figura 4-80. Volumen de huecos - áreas individuales Muestra 1
130
Figura 4-81. Volumen de huecos - Vista general Muestra 2
131
Figura 4-82. Volumen de huecos - áreas individuales Muestra 2
131
Figura 4-83. Volumen de huecos - Vista general Muestra 3
132
Figura 4-84. Volumen de huecos - áreas individuales Muestra 3
132
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 5-10. Fabricación pieza de nailon en forma de V
140
Figura 5-11. Detalle de los soportes de pieza en V
140
Figura 5-12. Pieza de nailon en forma de V con soportes
140
Figura 5-13. Diseño del molde semi-esférico de nailon
141
Figura 5-14. Fabricación del molde semi-esférico de nailon
141
Figura 5-15. Molde semi-esférico de nailon
142
Figura 5-16. Bolsa de vacío molde semi-esférico
142
Figura 5-17. Curado de fibra de vidrio en el molde semi-esférico
143
Figura 5-18. Laminación de fibra de carbono sobre molde semi-esférico
143
Figura 5-19. Molde semi-esférico tras el curado a 180 °C
143
Figura 5-20. Comparación del molde de semi-esférico antes y después de ciclo de curado a 180 °C
144
Figura 5-21. Control dimensional del molde semi-esférico
144
Figura 5-22. Molde en escalón de nailon
145
Figura 5-23. Bolsa de vacío tras el curado del molde en escalón
145
Figura 5-24. Fibra de carbono curada sobre molde en escalón
145
Figura 5-25. Molde en escalón antes y después del curado
146
Figura 5-26. Diseño molde rigidizador en Ω
146
Figura 5-27. Molde rigidizador en Ω (vista en planta)
147
Figura 5-28. Forma Ω del rigidizador
147
Figura 5-29. Bolsa de vacío molde rigidizador tras el curado
147
Figura 5-30. Rigidizador de fibra de carbono
147
Figura 5-31. Detalle forma en Ω rigidizador de fibra de carbono
148
Figura 5-32. Primera pieza de nailon fabricada con la impresora 3D
148
Figura 5-33. Pieza cuadrada de nailon
149
Figura 5-34. Logo GERM en 3D de nailon
149
Figura 5-35. 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
Capítulo 1
1. INTRODUCCIÓN
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
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.
Capítulo 2
2. FABRICACIÓN ADITIVA
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
Fabricación aditiva
8
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.
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].
Fabricación aditiva
10
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
Sinterizado Directo de Metal por Láser
(DMLS)
Casi cualquier aleación
Fusión por Haz de Electrones (EBM)
Aleaciones de Titanio
Sinterizado Selectivo por Calor (SHS)
Polvo termoplástico
Sinterizado Selectivo por Láser (SLS)
Termoplásticos, polvos metálicos, polvos
cerámicos
Proyección Aglutinante (DSPC)
Yeso
Laminado de Capas (LOM)
Papel, papel de aluminio, capa de plástico
Estereolitografía (SLA)
Fotopolímero
Fotopolimerización por Luz Ultravioleta(SGC)
Fotopolímero
Granulado
Laminado
Fotoquímicos
Tabla 2-1. Tecnologías de Fabricación Aditiva
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.
Fabricación aditiva
12
En la Tabla 2-2 se muestran las ventajas y desventajas de las tecnologías aditivas [8].
Tecnología
Ventajas
Geometrías complejas
SLA
Piezas con detalles
Acabado suave
FDM
EBM
SLS
Desventajas
Requiere post-curado
Requiere estructuras soporte
Piezas resistentes
Acabado superficial más pobre
Geometrías complejas
Construcción más lenta que SLA
Velocidad
Necesita post-proceso
Poca distorsión de piezas
Dificultad para limpiar la maquina
Poco desperdicio de material
Precaución al trabajar con rayos-X
No requiere estructuras de soporte
Elevada resistencia química y al calor
Precisión limitada por el tamaño de
partícula del polvo
Velocidad alta
Acabado superficial rugoso
Coste menor que SLS
SHS
Geometrías complejas
Tecnología nueva con experiencia
limitada
No requiere de estructuras soporte
DMLS
Componentes densos
Necesita acabado
Geometrías complejas
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]
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 100000 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 500000 € en realizarse, con la impresión 3D podría
realizarse en cuatro días por 3000 €.
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
Fabricación aditiva
14
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.
Capítulo 3
3. PUESTA A PUNTO DE LA
IMPRESORA 3D PARA
MATERIALES COMPUESTOS
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.
X
Y
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
Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos
18
Tecnología de impresión
Nº Extrusores
Fabricación filamento fundido (FFF)
Fabricación filamento compuesto (CFF)
2
nailon
Materiales de impresión
Fibras de refuerzo: Fibra de carbono, fibra
de vidrio y Kevlar
Tamaño de la máquina
575mm x 322mm x 360mm
Tamaño máximo de impresión (x,y,z)
320mm x 132mm x 160mm
Resolución en eje Z
100 µm
Resolución inyector de fibra
200 µm
Precisión de posicionamiento
6,25 µm en X e Y
Cama de impresión
Acoplamientos magnéticos
Potencia requerida
120 - 240V, 50 - 60 Hz
Formato de los archivos de diseño
.stl y .obj
Software de impresión
Markforged software: Eiger
Compatibilidad del software
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 3-2.
360 mm
322 mm
575 mm
Figura 3-2. Vista exterior de la impresora
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
3.2.1 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.
Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos
20
Figura 3-5. Parte trasera de la impresora
3.2.2 Vista frontal
En la Figura 3-6 se detallan las distintas partes que posee la impresora en su vista frontal.
3
1
2
4
5
Figura 3-6. Componentes de la impresora (vista frontal)
3.2.2.1
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.
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
Inyector de nailon
21
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).
22
Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos
Figura 3-9. Sistema de refrigeración del cabezal de impresión
3.2.2.2
Portacarretes para el filamento de compuesto
2
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)
Figura 3-10. 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).
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
23
Figura 3-11. Tubo de alimentación del filamento de compuesto
3.2.2.3
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 3-12.
Figura 3-12. 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.
3.2.2.4
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 3-13. 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.
Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos
24
Figura 3-13. 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.
3.2.2.5
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.
3.2.3 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 3-14. 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 3-15. 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.
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
25
Extrusora del
filamento de
nailon
Extrusora del
filamento de
compuesto
Figura 3-15. 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 3-16. 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 3-17. Filamentos de compuesto de fibra de carbono y de fibra de vidrio
Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos
26
3.4 Accesorios
Junto con la impresora se proporcionan los accesorios necesarios para su puesta a punto, funcionamiento y
mantenimiento (Figura 3-18)
Figura 3-18. Pack de accesorios de la impresora
A continuación se detalla cada uno de los accesorios y su función.
3.4.1
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 3-19.
-
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.
Figura 3-19. Calzadores de nivelación
3.4.2
Portacarretes de nailon
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).
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
27
Figura 3-20. Portacarretes del rollo de Nailon
3.4.3
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.
Figura 3-21. Pegamento de barra-lubricante entre las piezas y la cama de impresión
3.4.4
Espátula
Se utiliza para extraer de la cama de impresión las piezas fabricadas (Figura 3-22).
Figura 3-22. Espátula para la extracción de las piezas
Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos
28
3.4.5
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).
Figura 3-23. Pinzas
3.4.6
Inyectores
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 3-24. 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 3-25. Inyectores de repuesto
3.4.7
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).
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
29
Figura 3-26. Tubo de conexión de la caja seca de pelícano con la impresora
3.4.8
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 3-27. 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 3-28.
Figura 3-28. Obstrucción de material en el tubo de inserción del inyector
3.4.9
Escariador
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 3-29. Escariador
30
Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos
3.4.10 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).
Figura 3-30. Lubricante para la instalación de los inyectores
3.4.11 Tapón para sellar la caja de pelicano
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.
Figura 3-31. Tapón para sellar la caja de pelícano
3.4.12 Herramientas
Conjunto de destornilladores y llave Allen compatibles con los distintos tornillos que posee la impresora
(Figura 3-32).
Figura 3-32. Destornilladores y llave Allen
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
31
3.4.13 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.
Figura 3-33. Extensión del puesto USB
3.4.14 Cable USB A-B
Cable para conectar la impresora a un ordenador (Figura 3-34).
Figura 3-34. Cable USB A-B
3.4.15 Dispositivo USB MarkForged
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 3-35. Dispositivo USB MarkForged
Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos
32
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.
3.5.1
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 3-36.
Figura 3-36. Conexión de la caja seca de pelícano con la impresora
3.5.2
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 3-37. 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.
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
33
Figura 3-38. 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 3-39. 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 3-40. Introducción del filamento de nailon en la extrusora
Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos
34
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 3-41. 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.
3.5.2.1
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 3-42. Tubo conectado a la extrusora de nailon
3. Extraer el fragmento de nailon que queda en el tubo, como se observa en la Figura 3-43. Tener
cuidado, ya que el filamento estará caliente.
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
35
Figura 3-43. 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 3.5.2.
Figura 3-44. Fijación del tubo a la extrusora de nailon
3.5.3
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 3-45. Tener especial cuidado de
no doblar el filamento, ya que puede romperse fácilmente.
Figura 3-45. Inserción del filamento de compuesto en el tubo
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 3-46. Sentido de desenrollarse el carrete de filamento de compuesto
3. En la pantalla táctil de la impresora pulsar sobre el icono Settings
Load/Unload; a continuación seleccionar Load Fiber.
y seleccionar
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 3-47. 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.
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
37
Figura 3-48. 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 3-49. 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.
Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos
38
Figura 3-50. Eliminación del filamento de compuesto tras ser cargado
3.5.4
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 (www.eiger.io), 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 3-51. Descarga del firmware desde Eiger (1)
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
39
Figura 3-52. 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 3-53.
Figura 3-53. 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 3-54. Instalación del firmware (2)
3. Pulsar Update (Figura 3-55). No apagar la impresora mientras se está actualizando, ya que
cuando termine se reiniciará.
Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos
40
Figura 3-55. 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.
3.5.5
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 3-56. 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.
3.5.5.1
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 3-57. Colocarla
suavemente, de tal forma que los acoplamientos magnéticos la alinearán automáticamente y la fijarán
correctamente.
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
41
Figura 3-57. Instalación de la cama de impresión
3.5.5.2
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 3-58. 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.
42
Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos
Ajuste del tornillo
para nivelar el
inyector de nailon
Figura 3-59. 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 3-60. 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.
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
43
3.6 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.
3.6.1
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 3-61. 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 3-62. Limpieza de la cama de impresión
3.6.2
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).
Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos
44
Botón de
encendidoapagado
Figura 3-63. Botón para encender la impresora
2. Se encenderá la pantalla táctil de la impresora, apareciendo la información de la Figura 3-64.
Nombre de la
impresora
Conexión Wi-Fi
Menú
desplegable,
Settings
Temperatura
del inyector de
nailon
Temperatura
del inyector de
compuesto
Figura 3-64. 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.
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
45
Figura 3-65. 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 3-66.
Figura 3-66. Barra de proceso en la pantalla de la impresora
3.6.3
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 3-67.
Figura 3-67. 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.
Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos
46
-
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 3.5.2 y 3.5.3 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 3-68.
Figura 3-68. 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 3-69. 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 3-70.
Figura 3-70. Temperatura adecuada para iniciar la fabricación
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
3.6.4
47
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 3-71.
Figura 3-71. 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 3-72.
Figura 3-72. Cama de impresión dañada
3.6.4.1
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.
Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos
48
Figura 3-73. 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 3-74. Eliminación de soportes
3.7 Mantenimiento
En este apartado se detallan diversos aspectos para el mantenimiento de la impresora.
3.7.1
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 3-75. Cambio del inyector del filamento de compuesto (1)
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
49
2. 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 3-76. 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 3-77.
Figura 3-77. 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).
Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos
50
Figura 3-78. 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 3-79. Instalación del inyector del filamento de compuesto (2)
3.7.2
Almacenamiento de materiales
3.7.3 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.
3.7.4 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.
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
51
3.8 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 www.eiger.io [11] (Figura 3-80). Para acceder a dicho software la empresa
proporciona los datos de usuario y contraseña, que posteriormente se pueden cambiar.
Figura 3-80. Página de inicio de Eiger
3.8.1
Pantalla de inicio
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 3-81.
Figura 3-81. 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.
Muestra información de las piezas que se van fabricando cuando la impresora está conectada vía
Wi-Fi.
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, email)
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.
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.
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 3-82. Librería de Eiger – Iconos en 3D de las piezas
Figura 3-83. Librería de Eiger- lista de piezas
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
3.8.2
55
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 3-84.
Figura 3-84. 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).
Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos
56
3.8.3
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.
3.8.3.1
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.
3.8.3.2
Configuración de las capas de material compuesto
Pestaña activada cuando la pieza a fabricar
contiene material compuesto.
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
cm2). 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 cm2 y por lo tanto no se puede utilizar el filamento de material compuesto.
Figura 3-85. 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:
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 3-86.
Figura 3-86. 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 3-87. 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 3-88.
Figura 3-88. Diseño del mallado Full Fiber del material compuesto
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 3-90.
Figura 3-89. Probeta con Full Fiber
Figura 3-90. 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 3-91. Configuración de las capas de material
Primera capa de nailon
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.
3.8.3.3
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 3-92. Pieza que requiere soportes
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 3-93. Soportes en dirección 0°
Figura 3-94. Soportes en dirección 90°
Se debe activar cuando una pieza tiene paredes muy
finas, para conseguir un mejor acabado.
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 3-95. 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.
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
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
0.125
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 3-96. Mallado de nailon hexagonal
Figura 3-97. Mallado de nailon rectangular
63
64
Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos
Figura 3-98. Mallado de nailon triangular
En esta pestaña se configura la densidad del
mallado de nailon. En la Figura 3-99 y
Figura 3-100 se observa la diferencia entre
100% y 20% de densidad para las tres
configuraciones de mallado.
Figura 3-99. Densidad del nailon: 100%
Figura 3-100. 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.
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).
3.8.3.4
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 3-101.
Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos
66
Figura 3-101. 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.
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
3.8.4
67
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 3-102.
Figura 3-102. 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.
Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos
68
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
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.
Puesta a punto de la impresora 3D para materiales compuestos
70
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 3-103. En dicho espacio se
pueden modificar las propiedades de la pieza capa a capa.
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
71
Figura 3-103. 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:
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 3-104.
Figura 3-104. Configuración del mallado del material compuesto Concentric Fiber (1)
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 3-105
Figura 3-105. 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.
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.
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.
Capítulo 4
4. CARACTERIZACIÓN DE LOS
MATERIALES
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
Fibra de
vidrio
Fibra de
carbono
Tipo de ensayo
Orientación
de la fibra
Nº probetas
ensayadas
Características
determinadas
Tracción
0°
5
Tracción
90°
5
,
Tracción
±45°
5
,
Compresión
0°
5
Tracción
0°
5
,
,
,
,
,
5
Compresión
2 (sin tacones)
0°
4 (con tacones)
Tabla 4-1. Campaña de ensayos mecánicos para la caracterización de los filamentos de compuesto
79
Caracterización de los materiales
80
Material
Nailon
Tipo de
ensayo
Tipo de
mallado
Tracción
Rectangular
Tracción
Tracción
Densidad del
mallado
Nº probetas
ensayadas
100%
1
20%
1
100%
1
20%
1
100%
1
20%
1
Características
determinadas
Triangular
Hexagonal
Tabla 4-2. Campaña de ensayos mecánicos para la caracterización del filamento de nailon
4.1.1
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].
4.1.1.1
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
.
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
81
Cuando la probeta se somete a una fuerza F, la tensión normal provocada viene dada por:
(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 14129 [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)
Caracterización de los materiales
82
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
:
(4.7)
Conocido
y
, la ley constitutiva en el sistema ortótropo permite obtener el valor de
:
(4.8)
4.1.1.2
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 14126 [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)
4.1.2
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 0.125 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
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.
4.1.2.1
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
Caracterización de los materiales
84
En la Tabla 4-3 se muestra el control dimensional de las probetas.
Probetas de compuesto de fibra de vidrio - 0° - Tracción
Probeta
Ancho (mm)
Espesor total (mm)
Espesor sin capas
exteriores (mm)
P1
12.982
2.023
1.823
P2
15.125
0.863
0.663
P3
12.993
0.959
0.759
P4
12.963
0.953
0.753
P5
12.848
1.043
0.843
Tabla 4-3. Control dimensional de las probetas FV 0° Tracción
4.1.2.2
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°
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°
Caracterización de los materiales
86
En la Tabla 4-4 se detalla el control dimensional de las probetas.
Probetas de compuesto de fibra de vidrio - 90° - Tracción
Probeta
Ancho total
(mm)
Ancho de fibra
(mm)
Espesor total
(mm)
Espesor sin capas
exteriores (mm)
P1
25.098
21.358
1.993
1.793
P2
24.578
20.720
1.989
1.789
P3
25.205
21.382
2.016
1.916
P4
25.118
22.093
2.013
1.813
P5
25.203
23.188
2.006
1.806
Tabla 4-4. Control dimensional de las probetas FV 90°
4.1.2.3
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 4-10. 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 4-11.
Figura 4-11. Bordes irregulares en las probetas con la fibra a ±45°
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 4-12. 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)
P4
20.653
18.735
2.007
1.807
P5
20.605
18.635
2.003
1.803
P6
20.120
19.428
1.519
1.319
P7
20.505
19.663
1.521
1.321
P8
20.663
19.948
1.462
1.262
Tabla 4-5. Control dimensional probetas FV ±45°
Caracterización de los materiales
88
4.1.2.4
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 4-13. Fabricación probetas FV 0° Compresión
En la Figura 4-14 se muestran las probetas una vez fabricadas y con bandas extensométricas.
Figura 4-14. 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].
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
89
Probetas de compuesto de fibra de vidrio - 0° - Compresión
Probeta
Ancho (mm)
Espesor total (mm)
Espesor sin capas
exteriores (mm)
P1
12.653
2.115
1.915
P2
12.668
1.986
1.786
P3
12.565
2.146
1.946
P4
12.615
2.049
1.849
P5
12.615
2.015
1.815
Tabla 4-6. Control dimensional de las probetas FV 0° Compresión
4.1.2.5
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 4-16.
Figura 4-15. Fabricación del panel para las probetas FC 0° Tracción
Caracterización de los materiales
90
Figura 4-16. 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 4-17. 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 4-18.
Área viable para probetas
Área viable para probetas
Figura 4-18. 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.
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
91
Figura 4-19. Rebaba en el corte de las probetas
Tras el primer corte, las probetas obtenidas se muestran en la Figura 4-20.
Figura 4-20. 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.
92
Caracterización de los materiales
Figura 4-21. 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 4-22.
Figura 4-22. Probetas FC 0° Tracción (con tacones)
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 - 0° - Tracción
Probeta
Ancho (mm)
Espesor total (mm)
Espesor sin capas
exteriores (mm)
P1
12.780
1.005
0.755
P2
12.368
1.046
0.796
P3
13.100
1.974
1.724
P4
13.093
1.077
0.827
P5
13.293
0.982
0.732
Tabla 4-7. Control dimensional probetas FC 0° Tracción
4.1.2.6
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 4-23.
Figura 4-23. Probetas FC 0° Compresión (sin tacones)
Caracterización de los materiales
94
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 - 0° - Compresión
Probeta
Ancho (mm)
Espesor total (mm)
Espesor sin capas
exteriores (mm)
P1
13.190
2.065
1.815
P2
12.088
2.029
1.779
P3
12.403
2.009
1.759
P4
13.338
2.072
1.822
P5
12.465
2.045
1.795
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 4-24. Adhesión de tacones a las probetas de FC 0° Compresión
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 4-25. 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 - 0° - Compresión
Probeta
Ancho (mm)
Span (mm)
Espesor total (mm)
Espesor sin capas
exteriores (mm)
P1
12.793
5
2.158
1.908
P2
12.598
5
2.158
1.908
P3
12.683
5
2.153
1.903
P4
12.715
5
2.148
1.898
Tabla 4-9. Control dimensional de las probetas FC 0° Compresión (con tacones)
4.1.2.7
Nailon
Como se ha explicado en el Apartado 3.8.3.3, 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.
Caracterización de los materiales
96
Figura 4-26. 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 4-27. 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).
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
97
Figura 4-28. 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 4-29. 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
25.343
2.372
24.923
2.615
Triangular
25.293
2.439
25.133
2.587
Hexagonal
25.100
2.545
24.838
2.635
Tabla 4-10. Control dimensional de las probetas de nailon
Caracterización de los materiales
98
4.1.3
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.
4.1.3.1
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.
Figura 4-30. Máquina de ensayo
4.1.3.2
Dispositivos 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 4-31. Dispositivo de ensayo a compresión
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
4.1.3.3
99
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 (
transversal (
a la vez.
y
Figura 4-32. Banda extensométrica XY31-3/120
2. LY41-6/120 (Figura 4-33). Permiten medir la deformación longitudinal (
.
Figura 4-33. 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 4-34. 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).
Caracterización de los materiales
100
Figura 4-35. Extensómetro
4.1.4
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 14129 [14]. Para los ensayos de compresión se han seguido las normas ASTM D6641 [15] y
UNE-EN ISO 14126 [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.
4.1.4.1
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 4-36. Realización del ensayo a tracción FV 0°
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 4-37. 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 ε11 y ε22 es similar, obteniendo valores del coeficiente de Poisson parecidos.
Figura 4-38. Gráfico Tensión-Deformación P2 FV Tracción
Caracterización de los materiales
102
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
P1
25.494
28.292
0.525
P2
25.824
33.614
0.366
P3
25.251
31.903
0.432
P4
28.969
36.664
0.495
P5
23.78
29.42
0.428
Media
25.863
31.9786
0.449
Desviación
Estándar
1.904
3.346
0.062
Coeficiente de
Variación (%)
7.36
10.46
13.84
Tabla 4-11. 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 4-39. Gráfica Tensión-Desplazamiento de la cruceta ensayos de tracción FV 0°
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
103
Los valores de resistencia a tracción se muestran en la Tabla 4-12.
(MPa)
(MPa) sin capas
exteriores
P1
429.040
473.903
P2
570.207
742.216
P3
625.450
790.205
P4
559.379
707.953
P5
543.302
672.161
Media
545.476
677.288
Desviación Estándar
72.047
121.756
Coeficiente de
Variación (%)
13.21
17.98
Tabla 4-12. 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 4-40. Roturas a tracción probetas FV 0°
Caracterización de los materiales
104
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 4-41.
Figura 4-41. 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 4-42. Gráfico Tensión-Deformación longitudinal ensayo de tracción FV 90°
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
En la Tabla 4-13 se muestra el Módulo Elástico
de cada probeta, así como los valores estadísticos.
(GPa)
105
y la resistencia a la tracción en dirección transversal (
(GPa) sin
capas exteriores
(MPa)
)
(MPa) sin
capas exteriores
P1
1.140
1.267
15.591
17.331
P2
1.204
1.339
10.990
12.219
P3
1.029
1.143
9.229
10.246
P4
1.165
1.294
9.296
10.321
P5
1.564
1.737
18.005
20.000
Media
1.221
1.356
12.622
14.023
Desviación
Estándar
0.203
0.225
3.970
4.413
Coeficiente de
Variación (%)
16.61
16.62
31.45
31.47
Tabla 4-13. 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 4-43. 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.
Caracterización de los materiales
106
Figura 4-44. 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 4-45. 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.
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
107
Figura 4-46. 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 14129 [14] entre 1000 µγ y 5000 µγ, junto con los valores estadísticos.
(GPa)
(GPa) sin
capas exteriores
P4
0.642
0.713
P5
0.607
0.674
P6
0.944
1.087
P7
0.781
0.899
P8
0.918
1.063
Media
0.778
0.887
Desviación
Estándar
0.154
0.192
Coeficiente de
Variación (%)
19.79
21.59
Tabla 4-14. Resultados experimentales FV ±45° Tracción (Rigidez)
Caracterización de los materiales
108
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 4-47. 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
P4
48.160
53.492
P5
59.425
66.019
P6
77.610
89.380
P7
69.284
79.778
P8
64.776
75.040
Media
63.851
72.742
Desviación Estándar
11.017
13.669
Coeficiente de
Variación (%)
17.25
18.79
Tabla 4-15. Resultados experimentales FV ±45° Tracción (Resistencia)
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 4-48. 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 4-49. Detalle rotura probetas FV ±45°
Caracterización de los materiales
110
Ensayo de compresión – Fibras a 0°
En la Figura 4-50 se muestra la realización del ensayo de compresión con el dispositivo necesario.
Figura 4-50. 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 4-51. Gráfico Tensión-Deformación longitudinal ensayo de compresión FV 0°
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 14126 [16]. En este caso no se ha hecho uso de la norma
ASTM D6641 [15] porque sólo se obtuvieron datos de deformaciones hasta 2000-2500 µε, por lo que se ha
estimado oportuno utilizar otra norma que considere dicho rango de valores.
(GPa)
(GPa) sin capas
exteriores
P1
18.431
20.356
P2
18.448
20.514
P3
19.551
21.561
P4
21.893
24.262
P5
19.125
21.232
Media
19.490
21.585
Desviación Estándar
1.425
1.577
Coeficiente de
Variación (%)
7.31
7.31
Tabla 4-16. 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 4-52. Gráfica Tensión-Desplazamiento de la cruceta ensayos de compresión FV 0°
Caracterización de los materiales
112
En la Tabla 4-17 se muestran los valores de la resistencia a la compresión en dirección longitudinal (
cada probeta.
(MPa)
de
(MPa) sin capas
exteriores
P1
66.015
72.909
P2
82.512
91.751
P3
52.935
58.375
P4
85.100
94.306
P5
63.300
70.276
Media
69.972
77.523
Desviación Estándar
13.570
15.203
Coeficiente de
Variación (%)
19.39
19.61
Tabla 4-17. 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 4-53. 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.
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
4.1.4.2
113
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 4-54. 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 4-55. Gráfico Tensión-Deformación longitudinal ensayo de tracción FC 0°
Caracterización de los materiales
114
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 ε11 y ε22 es similar, obteniendo valores parecidos del coeficiente de Poisson.
Figura 4-56. 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
P1
69.633
92.682
0.398
P2
61.415
80.703
0.389
P3
76.793
87.928
0.401
P4
63.618
82.855
0.439
P5
68.947
92.511
0.389
Media
68.081
87.336
0.403
Desviación
Estándar
5.988
5.472
0.021
Coeficiente de
Variación (%)
8.79
6.27
5.21
Tabla 4-18. Resultados experimentales FC 0° Tracción (Rigidez)
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 4-57. 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 4-19.
(MPa)
(MPa) sin capas
exteriores
P1
730.609
972.453
P2
478.200
628.388
P3
584.213
668.931
P4
594.069
773.709
P5
556.497
746.687
Media
588.718
758.033
Desviación Estándar
91.425
133.320
Coeficiente de
Variación (%)
15.53
17.59
Tabla 4-19. Resultados experimentales FC 0° Tracción (Resistencia)
Caracterización de los materiales
116
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 4-58. 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 4-59. Realización ensayo de compresión FC 0°
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 4-60. 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
P1
51.515
58.613
P2
52.928
60.364
P3
52.768
60.268
P4
53.980
61.386
P5
53.746
61.231
Media
52.987
60.372
Desviación Estándar
0.972
1.103
Coeficiente de
Variación (%)
1.83
1.83
Tabla 4-20. Resultados experimentales FC 0° Compresión (Rigidez)
Caracterización de los materiales
118
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 4-61. 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 4-21.
(MPa)
(MPa) sin capas
exteriores
P1
260.464
296.350
P2
288.518
329.057
Media
274.491
312.704
Desviación Estándar
19.837
23.127
7.23
7.40
Coeficiente de
Variación (%)
Tabla 4-21. Resultados experimentales FC 0° Compresión (Resistencia, probetas sin tacones)
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 4-62. 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 4-63. Gráfica Tensión-Desplazamiento de la cruceta ensayos de compresión FC 0° (con tacones)
Caracterización de los materiales
120
El valor de la resistencia a compresión se muestra en la Tabla 4-22.
(MPa)
(MPa) sin capas
exteriores
P1-tac
173.560
196.307
P2-tac
240.891
272.462
P3-tac
188.516
213.289
P4-tac
239.776
271.367
Media
210.686
238.356
Desviación Estándar
34.777
39.368
Coeficiente de
Variación (%)
16.51
16.52
Tabla 4-22. 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 4-64. Figura 4-65. Roturas a compresión probetas FC 0° (con tacones)
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.
4.1.5
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 4-66.
Figura 4-66. 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 4-67. Gráfico Tensión-Deformación probetas de nailon con densidad del mallado del 100%
Caracterización de los materiales
122
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 4-68. 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.
E (MPa)
E (MPa)
Densidad 100%
Densidad 20%
Rectangular
385.97
15.12
Triangular
108.60
61.12
Hexagonal
115.24
18.22
Tipo de mallado
Tabla 4-23. Resultados experimentales probetas de nailon (Rigidez)
4.1.6
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.
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)
25.863
31.979
20
(GPa)
1.221
1.356
-
, (GPa)
0.778
0.887
-
0.449
0.449
-
(MPa)
545.476
677.288
590
(MPa)
12.622
14.023
-
(MPa)
63.851
72.742
-
Características a Compresión
(GPa)
19.490
21.585
20
(MPa)
69.972
77.523
140
Tabla 4-24. 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
(GPa)
(MPa)
Con espesor total
Sin espesor de capas
exteriores de nailon
MarkForged
68.081
87.336
50
0.403
0.403
-
588.718
758.033
700
Características a Compresión
(GPa)
52.987
60.372
50
(MPa)
210.686
238.356
320
Tabla 4-25. Resumen de las propiedades mecánicas del compuesto de fibra de carbono
Caracterización de los materiales
124
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
E (MPa)
E (MPa)
E (MPa)
Densidad 100%
Densidad 20%
MarkForged
Rectangular
385.97
15.121
380
Triangular
108.60
61.119
Hexagonal
115.24
18.215
Tipo de mallado
Tabla 4-26. 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 4-69. 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.
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
125
Figura 4-70. 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 1
49.24
50.76
Muestra 2
50.98
49.02
Muestra 3
51.42
48.58
Muestra 4
51.69
48.31
50.83
49.17
MEDIA
Tabla 4-27. 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 4-71. Filamento de compuesto de fibra de vidrio antes y después de calcinación
Caracterización de los materiales
126
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 1
63.48
36.52
Muestra 2
62.05
37.95
Muestra 3
63.82
36.18
63.12
36.88
MEDIA
Tabla 4-28. 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 4-72. 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 4-73.
Figura 4-73. Embutición de piezas de material compuesto de fibra de vidrio y fibra de carbono
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.
4.3.1
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 4-74. 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.
- 45°
+ 45°
90°
0°
Figura 4-75. Microscopía x200 – compuesto de fibra de vidrio
Caracterización de los materiales
128
Se ha analizado un laminado unidireccional, con las fibras a 0°, como se muestra en la Figura 4-76. 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 4-76. Microscopía x100 – compuesto de fibra de vidrio unidireccional
4.3.2
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.
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
Figura 4-77. Microscopía x100 – compuesto de fibra de carbono unidireccional (1)
Figura 4-78. Microscopía x100 – compuesto de fibra de carbono unidireccional (2)
129
Caracterización de los materiales
130
4.3.3
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.
4.3.3.1
Muestra 1
En la Figura 4-79 se presenta la vista general de la Muestra 1 analizada.
Figura 4-79. 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: 15 %
Porosidad: 9.8 %
Porosidad: 22.8 %
Figura 4-80. Volumen de huecos - áreas individuales Muestra 1
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
131
El porcentaje de porosidad de la Muestra 1 es 15.5 %.
4.3.3.2
Muestra 2
En la Figura 4-81 se presenta la vista general de la Muestra 2 analizada.
Figura 4-81. 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 4-82. Volumen de huecos - áreas individuales Muestra 2
El porcentaje de porosidad de la Muestra 2 es 8.9 %.
Caracterización de los materiales
132
4.3.3.3
Muestra 3
En la Figura 4-83 se presenta la vista general de la Muestra 3 analizada.
Figura 4-83. 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: 13.7 %
Porosidad: 10.2 %
Porosidad: 18.1 %
Figura 4-84. Volumen de huecos - áreas individuales Muestra 3
El porcentaje de porosidad de la Muestra 3 es 11.6 %.
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
4.3.3.4
133
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.
% Porosidad
Muestra 1
Muestra 2
Muestra 3
Media
15.5
8.9
11.6
12
Tabla 4-29. 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.
Capítulo 5
5. APLICACIONES
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:
5.1.1
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
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
5.1.2
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
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.
140
Aplicaciones
Figura 5-9. Esfera hueca de nailon
5.1.3
Pieza de nailon con forma de V
Se ha fabricado una pieza con forma de V, cuya diseño ha requerido el uso de soportes, como se muestra en la
Figura 5-10.
Figura 5-10. 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 5-11. Detalle de los soportes de pieza en V
Figura 5-12. Pieza de nailon en forma de V con soportes
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
141
5.2 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.
5.2.1
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 5-13.
Figura 5-13. 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 5-14. 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.
142
Aplicaciones
Figura 5-15. 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)
70.04
59.42
34.91
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.
5.2.1.1
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 5-16. 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.
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
143
Figura 5-17. Curado de fibra de vidrio en el molde semi-esférico
5.2.1.2
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 5-18. 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 5-19. Molde semi-esférico tras el curado a 180 °C
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 5-20. 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
D1
D2
D3
Figura 5-21. 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.
D1 (mm)
D2 (mm)
D3 (mm)
Altura (mm)
Antes de curado
70.04
70.04
70.04
34.91
Después de curado
63.92
63.34
66.81
34.57
Tabla 5-2. Control dimensional molde semi-esférico antes y después del curado
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
5.2.2
145
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 5-22.
Figura 5-22. 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 5-23. 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 5-24. Fibra de carbono curada sobre molde en escalón
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 5-25. Molde en escalón antes y después del curado
5.2.3
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 5-26.
Figura 5-26. 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).
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
147
Figura 5-27. Molde rigidizador en Ω (vista en planta)
Figura 5-28. 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 5-29. 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 5-30. Rigidizador de fibra de carbono
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 5-31. Detalle forma en Ω rigidizador de fibra de carbono
5.2.4
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 5-32. Primera pieza de nailon fabricada con la impresora 3D
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 5-33. 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 5-34. 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 5-35. 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.
Capítulo 6
6. CONSIDERACIONES Y
ASPECTOS A DESTACAR
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
Estimado
(min)
Real (min)
Coeficiente
42
76
65
0.86
43
391
216
0.55
45
707
380
0.54
49
405
226
0.56
50
324
185
0.57
Pieza
Media
0.61
Desviación
0.13
CV
21.95
Tabla 6-1. Tiempo de fabricación de las piezas de compuesto de fibra de carbono
153
154
Consideraciones y aspectos a destacar
PIEZAS DE FIBRA DE VIDRIO
Estimado
(min)
Real (min)
Coeficiente
4
20
50
2.50
5
32
105
3.28
6
7
26
3.71
7
70
264
3.77
8
79
360
4.56
10
82
352
4.29
12
71
251
3.54
22
32
43
1.34
27
55
250
4.55
28
46
209
4.54
29
55
254
4.62
28
46
209
4.54
37
31
96
3.10
41
54
268
4.96
48
39
161
4.13
Pieza
Media
3.83
Desviación
0.97
CV (%)
25.32
Tabla 6-2. Tiempo de fabricación de las piezas de compuesto de fibra de vidrio
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
PIEZAS DE NAILON
Pieza
Estimado
(min)
Real (min) Coeficiente
1
15
17
1.13
9
17
18
1.06
11
226
185
0.82
16
1800
1358
0.75
17
528
464
0.88
18
177
148
0.84
19
47
44
0.94
20
50
43
0.86
21
23
27
1.17
34
79
61
0.77
35
64
56
0.88
36
63
50
0.79
38
43
43
1.00
39
42
44
1.05
Media
0.92
Desviación
0.14
CV (%)
14.76
Tabla 6-3. Tiempo de fabricación de las piezas de nailon
155
156
Consideraciones y aspectos a destacar
CONSTRUCCIONES
Pieza
Eiger (min) Real (min) Coeficiente
2y3
55
118
2.15
13, 14, 15
542
458
0.85
23
37
130
3.51
23A
25
89
3.56
24
176
393
2.23
25
106
512
4.83
26
106
493
4.65
46
62
136
2.19
47
75
315
4.20
Media
3.13
Desviación
1.35
CV
43.09
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
según el material de las piezas
fabricadas.
Coeficiente
Nailon
Fibra de vidrio
Fibra de carbono
Construcciones
0.92
3.83
0.61
3.13
Tabla 6-5. Resumen tiempo de fabricación
Puesta a punto de un sistema de fabricación aditiva para materiales compuestos
157
6.2 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
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.
Etapas de la tecnología aditiva
Tiempo
Diseño en CATIA del modelo 3D
15 min
Importación del fichero .stl al software de diseño Eiger, y configuración de las
propiedades de material del panel.
20 min
Fabricación del panel en la impresora 3D
6 h 15 min
Extracción de la pieza y limpieza de la cama de impresión
5 min
Tiempo Total
6 h 54 min
Tabla 6-6. Tiempo de fabricación tecnología aditiva (impresora 3D)
Etapas de la fabricación tradicional (apilado + autoclave)
Tiempo
Corte y apilado de las láminas de preimpregnado de fibra de carbono
45 min
Realización de la bolsa de vacío
30 min
Curado en autoclave
4h
Extracción del panel del autoclave, retirada de la bolsa de vacío y limpieza del molde
1h
Tiempo Total
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.
Capítulo 7
7. CONCLUSIONES Y
DESARROLLOS FUTUROS
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
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.
7.2.1
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.
7.2.2
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
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.
7.2.3
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).
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.
REFERENCIAS
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diferentes sectores industriales. PFC. Escuela Técnica Superior de Ingeniería, Universidad Pontificia
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Referencias
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respuesta de esfuerzo de cizalla/deformación de cizalla plana, que incluye el módulo y resistencia de
cizalla plana, por el método de ensayo de tracción a +-45º, 1999.
[15] ASTM D6641, Standard Test Method for Compressive Properties of Polymer Matrix Composite,
Materials Using a Combined Loading Compression (CLC) Test Fixture, 2009.
[16] UNE-EN ISO 14126, Materiales compuestos plásticos reforzados con fibras. Determinación de las
propiedades de compresión en dirección paralela al plano de laminación, 2002.
[17] I+D-E 51, Ensayo de compresión sobre estratificados de fibra de carbono, 1984.