Deteminación de la posibilidad de la implementación de un nanocompuesto de PLA/MWCNTs para impresión 3D low cost FFF

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA DEL DISEÑO Más e Uni e si a io en Diseño y Fab icación In eg ada Asis idos po Compu ado DETERMINACIÓN DE LA POSIBILIDAD DE LA IMPLEMENTACIÓN DE UN NANOCOMPUESTO DE PLA/MWCNTs PARA IMPRESIÓN 3D LOW COST FFF TESIS DE MÁSTER Au o : Ch is ian M. Cobos Maldonado Di ec o es: D . San iago Fe ándiz Bou D . And és Coneje o Rodilla VALENCIA – ESPAÑA 2014 Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD-CAM-CIM) "DEDICATORIA" i DEDICATORIA: A Dios po pe mi i me segui con la ida y da me la opo unidad de lucha po una me a mas en mi ida A mi amilia que siemp e me apoyo a la dis ancia en mis es udios Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD-CAM-CIM) "AGRADECIMIENTOS" ii AGRADECIMIENTOS: A la Uni e sidad Poli écnica de Valencia po la o mación p o esional y pe sonal b indada. A mis di ec o es de esis D . San iago Fe ándiz y D . And és Coneje o al Ins i u o ecnológico de Ma e iales y a FabLab Valencia y a odos los docen es que me b inda on su apoyo pa a la ealización de es a esis. Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD-CAM-CIM) "RESUMEN" iii RESUMEN En el p esen e abajo se p esen a un b e e es udio sob e la ca ac e ización de un nanocompues o de PLA/MWCNTs a di e en es po cen ajes pa a de e mina la posibilidad de u iliza el nanocompues o pa a lo que es ecnologías adi i as de imp esión 3D FFF ( ab icación con hilo undido). Pa a el desa ollo de es e abajo se empleó el e moplás ico PLA, y como elleno de e ue zo nano ubos de ca bono de pa ed múl iple (MWCNTs) a es po cen ajes 5, 1 y 0.5% como ca ga pa a el nanocompues o. Es os ma e iales ue on ob enidos po p oceso de usión en una ex uso a de doble husillo co o a o io, ma ca DUPRAa una elocidad de gi o del husillo de 40 pm y una empe a u a de la boquilla de 206 o C. Pa a la ca ac e ización del nanocompues o se u ilizó los análisis de Índice de Fluidez (MFI), Calo ime ía Di e encia de Ba ido (DSC), y el ilamen o de nanocompues o con 1 y 0.5% de MWCNTs se lo p obó con un sis ema de imp esión con encional ípico de los sis emas RepRap, con una imp eso a P usa I3 y con un ho ends ma ca J-Head Mk V-BV. Se obse ó que el nanocompues os PLA/MWCNTs ienen una a o able aplicabilidad en la implemen ación de imp esión 3D Low Cos , las empe a u as pa a la ex usión u ilizadas du an e las p uebas oscilan en e 177 y 185 o C y con los pa áme os que ienen po de ec o en el so wa e slise , ob eniendo un esul ado p ome edo pa a la aplicabilidad de nanocompues o de PLA/MWCNT s pa a imp esión 3D Low Cos FFF. Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD-CAM-CIM) "CONTENIDOS" i CONTENIDO DEDICATORIA: ............................................................................................. i AGRADECIMIENTOS: ................................................................................. ii RESUMEN ..................................................................................................... iii ÍNDICE de igu as .......................................................................................... ÍNDICE de ablas ........................................................................................... i Obje i os ......................................................................................................... 1 Obje i o Gene al ............................................................................................................. 1 Obje i os especí icos ...................................................................................................... 1 CAPITULO I ................................................................................................... 2 ESTUDIO DEL ESTADO DEL ARTE .......................................................... 2 1.1 In oducción. ..................................................................................................... 2 1.2 Acido Polilác ico (PLA) ........................................................................................... 3 1.2.1 P opiedades ....................................................................................................... 3 1.2.2 Aplicaciones ...................................................................................................... 4 1.3 Nano Tubos de Ca bono ........................................................................................... 9 1.3.1 Es uc u a ........................................................................................................ 10 1.3.2 P opiedades ..................................................................................................... 11 1.3.3 Aplicaciones .................................................................................................... 13 1.4 Nanocompues os ..................................................................................................... 14 1.4.1 Gene alidades .................................................................................................. 14 1.4.3 Tendencia e olu i a de in es igaciones de nanocompues os de PLA con nano ubosde ca bono ............................................................................................... 16 1.4.4 Desc ipción de in es igaciones sob e la ca ac e ización y aplicaciones de nanocompues os de PLA/MWCNTs. .................................................................. 17 1.5 Desc ipción del p oceso de imp esión 3d low cos (FDM) .................................... 23 1.5.1 In oducción .................................................................................................... 23 Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD-CAM-CIM) "CONTENIDOS" 1.5.2 DESCRIPCIÓN del p oceso ........................................................................... 23 1.5.3 PARÁMETROS DE IMPRESIÓN FDM 3D LOW COST ............................ 25 1.6 Conclusiones ........................................................................................................... 26 CAPÍTULO II ............................................................................................... 28 MATERIALES Y MÉTODOS ..................................................................... 28 2.1. Ma e iales .............................................................................................................. 28 2.1.1 Ca ac e ís icas del ma e ial U ilizado ............................................................. 28 2.2 P epa ación Nanocompues o .................................................................................. 29 2.2.1 PREPARACIÓN DE LA MEZCLA ........................................................... 31 2.3 Mé odos de Ca ac e ización u ilizados ................................................................... 32 2.3.1 Calo ime ía di e encial de ba ido ................................................................. 32 2.3.2 Índice de luidez (MFI) ................................................................................... 33 CAPÍTULO III .............................................................................................. 35 Discusión de esul ados ................................................................................. 35 3.1 In luencia de los MWCNTs en PLA nanocompues o ............................................ 35 3.1.1 ANÁLISIS de Calo ime ía Di e encia de Ba ido DSC ................................ 35 3.1.2 Análisis de Índice de luidez (MFI) ................................................................ 39 3.1.3 P ueba de ex usión con ex uso J-Head Mk V-BV ...................................... 39 CAPÍTULO IV .............................................................................................. 43 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................... 43 4.1 Conclusiones ........................................................................................................... 43 4.2 Es udios Fu u os. .................................................................................................... 45 4.3 Recomendaciones ................................................................................................... 46 CAPÍTULO V ............................................................................................... 47 BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................... 47 Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD-CAM-CIM) "ÍNDICE FIGURAS" i ÍNDICE DE FIGURAS FIGURA.- 1 EJEMPLOS DE APLICACIÓN DE PELÍCULA ORIENTADA BIAXIALMENTE PLA (FUENTE: TOHCELLO CO. LTD.) [1] ..................................................................................... 5 FIGURA.- 2 EJEMPLOS DE APLICACIONES DE PLA TERMOFORMADO [1] .................................. 5 FIGURA.- 3 RECONSTRUCCIÓN DE TENDÓN INFRA ESPINOSO (IS) CON PLLA (F) [1] ............. 7 FIGURA.- 4 TIPOS DE VAJILLAS HECHAS EN PLA [2] ....................................................................... 8 FIGURA.- 5 CUCHILLO, TENEDOR Y CUCHARA HECHA DE PLA [2] ............................................. 9 FIGURA.- 6 TORNILLOS, BARRAS Y MINI PLACAS DE PLLA [1] ................................................... 9 FIGURA.- 7 DIVERSAS ESTRUCTURAS DE NANOTUBOS [3] ......................................................... 11 FIGURA.- 8 TENDENCIA EVOLUTIVA DE INVESTIGACIONES DE ............................................... 16 FIGURA.- 9 DIAGRAMA DE PROCESO DE EXTRUSIÓN .................................................................. 17 FIGURA.- 10 GRÁFICAS DE LOS ENSAYOS MECÁNICOS Y SU VARIACIÓN ............................. 21 FIGURA.- 11 CICLO PARA LA IMPRESIÓN 3D (FDM) ...................................................................... 24 FIGURA.- 12 DEPOSICIÓN POR EXTRUSIÓN (FDM) [27] ................................................................ 25 FIGURA.- 13 VOLUMEN DE MEZCLA DE PLA Y MWCNTS A 5% ................................................. 29 FIGURA.- 14 ESQUEMAS DE LOS MOVIMIENTO DE LA MATERA EN UNA EXTRUSORA DOBLE HUSILLO COROTANTE (A) Y CONTRA-ROTANTE (B) ............................................. 30 FIGURA.- 15 MASTERBATCH DE PLA /MWCNTS 5% ..................................................................... 31 FIGURA.- 16 CANTIDAD DE MASTERBATCH Y PLA PARA OBTENCIÓN DE NANOCOMPUESTO DE 0,5 Y 1% DE MWCNTS. .................................................................. 31 FIGURA.- 17 METTLER-TOLEDO 821, DETALLE DEL CRISOL O PORTA MUESTRAS - DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA Y MATERIALES - UPV ALCOY .............. 33 FIGURA.- 18 ATS FAAS - DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA Y MATERIALES - UPV ALCOY .................................................................................................................................... 34 FIGURA.- 19 TERMOGRAMA DE PLA VIRGEN ................................................................................. 36 FIGURA.- 20 TERMOGRAMA DE PLA/MWCNTS 0.5% ...................................................................... 37 FIGURA.- 21 TERMOGRAMA DE ENFRIAMIENTO DE PLA VIRGEN, PLA/MWCNT AL 1% ...... 38 FIGURA.- 22 FILAMENTO EXTRUIDO DE PLA/MWCNTS 1% ......................................................... 40 FIGURA.- 23 FILAMENTO EXTRUIDO DE PLA/MWCNTS 0.5% ...................................................... 40 FIGURA.- 24 IMPRESORA Y EXTRUSOR UTILIZADOS .................................................................... 40 Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD-CAM-CIM) "ÍNDICE TABLAS" ii ÍNDICE DE TABLAS TABLA 1 PROPIEDADES MECÁNICAS Y FÍSICAS DE PLA [1] ......................................................... 4 TABLA 2 VARIACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE NANOTUBOS DE CARBONO DEPENDIENDO DE SUS DIMENSIONES [6] .............................................................................. 12 TABLA 3.- VARIACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS DE NANOCOMPUESTOS DE NANOTUBOS DE CARBONO PURIFICADOS Y NO PURIFICADOS. [12] ........................................................................................................................ 18 TABLA 4 VARIACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS DE NANOCOMPUESTOS DE NANOTUBOS DE CARBONO PURIFICADOS Y NO PURIFICADOS. [13] ........................................................................................................................ 19 TABLA 5 VARIACIÓN DE LAS PROPIEDADES TÉRMICAS DE NANOCOMPUESTOS A DIFERENTES CONCENTRACIONES DE CNT. [15] .................................................................... 20 TABLA 6 RESISTENCIA DE NANOCOMPUESTO DE PLA CON CNT MODIFICADOS Y NO MODIFICADOS. [13] ....................................................................................................................... 22 TABLA 7 PROPIEDADES DEL PLA UTILIZADO [30] ........................................................................ 28 TABLA 8 PROPIEDADES DE LOS CNTS [31] ...................................................................................... 29 TABLA 9 TEMPERATURAS DE LAS ZONAS DE EXTRUSIÓN ........................................................ 30 TABLA 10 PESO DE LOS MATERIALES MEZCLADOS PARA OBTENER COMPUESTO DE 0,5 Y 1% DEMWCNTS .............................................................................................................................. 31 TABLA 11 TEMPERATURA DE DE TRANSICIÓN VÍTREA (TG), TEMPERATURA DE FUSIÓN (TF) Y TEMPERATURA DE DEGRADACIÓN DE LOS MATERIALES ANALIZADOS .......... 38 TABLA 12 TABLA DE LA FLUIDEZ PROMEDIO DE LOS MATERIALES ANALIZADOS ........... 39 TABLA 13 TABLA RESUMEN DE RESULTADOS DE CARACTERIZACIÓN TÉRMICA Y DE FLUIDEZ. ......................................................................................................................................... 44 Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD OBJETIVOS Obje i o Gene al De e mina la iabili PLA/MWCNTs en imp esión 3D FFS Low Cos . Obje i os especí icos Conoce las ca ac e ís icas del PLA y nano ubos de ca bono. Es udia las aplicaciones exis en es de nanocompues o de PLA/MWCNTs. Ca ac e iza é mic a y de luidez del nanocompues o de PLA/MWCNTs. De e mina la acilidad de la aplicación de nanocompues o de PLA/MWCNTs en imp esión 3D de bajo cos o. Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD De e mina la iabili dad de la aplicación de un nanocompues o de PLA/MWCNTs en imp esión 3D FFS Low Cos . Conoce las ca ac e ís icas del PLA y nano ubos de ca bono. Es udia las aplicaciones exis en es de nanocompues o de PLA/MWCNTs. a y de luidez del nanocompues o de PLA/MWCNTs. De e mina la acilidad de la aplicación de nanocompues o de PLA/MWCNTs en imp esión 3D de bajo cos o. Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD -CAM-CIM) "OBJETIVOS" 1 dad de la aplicación de un nanocompues o de Es udia las aplicaciones exis en es de nanocompues o de PLA/MWCNTs. a y de luidez del nanocompues o de PLA/MWCNTs. De e mina la acilidad de la aplicación de nanocompues o de PLA/MWCNTs Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD-CAM-CIM) CAPITULO I "ESTADO DEL ARTE" 8 igo, pa a as, emolacha y una a iedad de o as plan as. Apa e p esen a las siguien es en ajas en e a los ma e iales de i ados del pe óleo. • La p oducción de bioplás icos u iliza 65 % menos ene gía que la p oducción de plás icos de i ados del pe óleo, po lo que los bioplás icos son de al a e iciencia ene gé ica. • Los bioplás icos gene an 68 % menos de gases de e ec o in e nade o que los plás icos basados en los combus ibles ósiles • Plás icos de i ados del pe óleo pa a su ab icación u iliza al ededo de 200000 ba iles de pe óleo po día. El cambio a los bioplás icos signi ica se menos dependien es de los combus ibles ósiles. • Bioplás icos al deg ada se son no óxicos y no se il a á p oduc os químicos pelig osos en el suelo. Es o signi ica que son más segu os. La des en aja que p esen a es e ma e ial es que oda ía no se iene una in aes uc u a pa a la eciclabilidad y/o biodeg adación, ya que es os ma e iales no pueden es a jun os a los de de i ados de pe óleo. Son ma e iales biodeg adables, pe o sólo bajo condiciones especí icas, plazo de 90 días, al como se desc ibe, los p oduc os deben llega a 1400 o F du an e 10 días consecu i os. Es o equie e un mecanismo especial que poco consumo. Si los p oduc os de PLA e minan en el elleno sani a io, no se deg ada a más ápido que los p oduc os a base de pe óleo [2]. Figu a.- 4TIPOS DE VAJILLAS HECHAS EN PLA [2] Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD-CAM-CIM) CAPITULO I "ESTADO DEL ARTE" 9 Figu a.- 5CUCHILLO, TENEDOR Y CUCHARA HECHA DE PLA [2] Aplicaciones Médicas: Los ma e iales biodeg adables se han es udiado ampliamen e pa a aplicaciones médicas, su en ajas sob e bioma e iales deg adables incluyen la necesidad de e i a los implan es a la go plazo y p opo ciona biocompa ibilidad. Los políme os biodeg adables más comunes en aplicaciones médicas son los poli (hid oxiácidos), incluyendo poli (ácido glicólico) (PGA), poli (ácido lác ico) (PLA), y polidioxanona (PDS). En e es os políme os, PLA ha demos ado se el más p ome edo , debido a sus ela i amen e buenas p opiedades mecánica. PLA ha sido u ilizado con éxi o pa a muchos implan es médicos y es á ap obado po las agencias egulado as en muchos países [1]. Figu a.- 6TORNILLOS, BARRAS Y MINI PLACAS DE PLLA [1] 1.3 Nano Tubos de Ca bono Los nano ubos de ca bono (NTC) p obablemen e han exis ido desde mucho a ás, y pueden habe sido hechos du an e a ios p ocesos de combus ión de ca bón y de deposición de apo [3]. Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD-CAM-CIM) CAPITULO I "ESTADO DEL ARTE" 10 Los nano ubos de ca bono (NTC’s) ue on descubie os en 1991 po Sumio Iijima. P ecu so de los NTC’s es el ulle eno, los ulle enos son una o ma alo ópica del ca bono. Fue on descubie os acciden almen e po los g upos de Smalley y K o o en 1985. El in en o de p oduci ulle enos dopados con me ales esul ó en el descub imien o de los nano ubos, que ue on inicialmen e denominados Bucky ubes. Los nano ubos ob enidos e an cilind os ce ados en los ex emos po un casque e es é ico con la es uc u a de un ulle eno. Es os nano ubos p esen aban di e en es es uc u as en unción de la o ien ación de los hexágonos del g a eno espec o del eje [3]. Los nano ubos de ca bono son los más in es igados nano ellenos 2D po sus p opiedades excepcionales en é minos de igidez y conduc i idad. 1.3.1 ESTRUCTURA Los nano ubos son es uc u as cilínd icas, cuyos ex emos pueden es a abie os o ce ados con una semies e a. El diáme o de un nano ubo se encuen a en la escala de los nanóme os; es o es en e diez y cincuen a mil eces más delgado que un cabello, mien as que su longi ud puede alcanza escala mac oscópica. Los p ime os nano ubos conseguidos cons aban de has a 20 capas de cilind os concén icos, con diáme os en e 3 y 30nm y ce ados en sus ex emos po hemi ulle enos. Po o o lado, los nano ubos de pa ed sencilla ienen ípicamen e un diáme o de 1 a 2nm. Po lo común, las p epa aciones de nano ubos son he e ogéneas, con una mezcla de ubos de di e en e diáme o y longi ud; además, son ecuen es los de ec os es uc u ales an o en las pa edes como en los ex emos. Pueden dis ingui se 3 ipos de es uc u a de nano ubo ( igu a 1), dependiendo de la o ma como se p oduzca el cie e de la lámina de g a eno pa a o ma el cilind o:  En sillón – se cie a po los é ices de los hexágonos – la línea axial del cilind o pasa po un é ice de cada hexágono sucesi o.  En zig-zag – se cie a po los lados de los hexágonos – la línea axial del cilind o pasa po un lado de cada hexágono al e no. Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD-CAM-CIM) CAPITULO I "ESTADO DEL ARTE" 11  Qui al – es la o ma más común; hay inclinación, meno sime ía y, como consecuencia, dos o mas enan iomé icas – la línea axial o ma un ángulo con cualquie línea que una sucesi os á omos equi alen es en los hexágonos [4]. Figu a.- 7DIVERSAS ESTRUCTURAS DE NANOTUBOS [3] 1.3.2PROPIEDADES La es abilidad y la obus ez de los CNT do an de excelen es p opiedades mecánicas, a las ib as que se ab ican hoy en día. Has a la echa se ha podido ob ene un módulo de young de 0,8 TPa [5]. Además, es as p opiedades mecánicas pod ían mejo a se: po ejemplo en los SWNTs (Single walled nano ubes o Nano ubos de pa ed simple), uniendo a ios nano ubos en haces o cue das. En o os é minos, los nano ubos pueden unciona como eso es ex emadamen e i mes an e pequeños es ue zos y, en e a ca gas mayo es, pueden de o ma se d ás icamen e y ol e pos e io men e a su o ma o iginal. Cabe indica que las p opiedades mecánicas de los nano ubos de ca bonos a ían espec o a sus dimensiones, a con inuación se ilus an unas ablas de un es udio ealizado po el (Depa amen o de Física, Ins i u o Nacional de Tecnología, Du gapu - 713209, India), donde indican di e en es p opiedades mecánicas de dependiendo de sus dimensiones. Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD-CAM-CIM) CAPITULO I "ESTADO DEL ARTE" 12 Tabla 2VARIACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE NANOTUBOS DE CARBONO DEPENDIENDO DE SUS DIMENSIONES [6] Va ia ion de Young's modulus(Y.M.) ailu e s ess (F.S.), and ailu e s ain (F.S .) wi h adius Tube ype Radius R/nm Y.M. E/TPa F.S. σ/Gpa F.S . ε/% (5,5) 0,339 0,792 107,900 26 (10,10) 0,678 0,752 99,658 24 (15,15) 1,017 0,647 95,776 22 (20,20) 1,356 0,798 89,699 20 (5,3) 0,274 0,831 115,650 22 (10,6) 0,548 0,809 135,870 20 (15,9) 0,822 0,737 111,490 18 (20,12) 1,096 0,707 95,180 14 (5,0) 0,196 1,468 76,770 14 (10,0) 0,391 0,855 115,400 18 (15,0) 0,5887 1,075 86,330 12 (20,0) 0,783 0,936 107,136 15 Va ia ion de comp essi e modulus(C.M.), comp essi e ailu e s ess (C.F.S.), and comp essi e ailu e s ain (C.F.S .) wi h adius Tube ype Radius R/nm Y.M. Ec/TPa F.S. σc/Gpa F.S . εc/% (5,5) 0,339 1,198 73,710 6 (10,10) 0,678 1,131 37,020 4 (15,15) 1,017 0,500 20,440 5 (20,20) 1,356 0,270 13,070 5 (5,3) 0,274 1,034 57,450 5 (10,6) 0,548 1,504 54,930 4 (15,9) 0,822 0,771 31,620 4 (20,12) 1,096 0,720 23,049 3 (5,0) 0,196 0,464 31,550 8 (10,0) 0,391 0,810 60,740 8 (15,0) 0,5887 0,772 34,860 4 (20,0) 0,783 0,795 34,520 5 Los nano ubos de ca bono apa e de sus buenas p opiedades mecánicas, ambién iene buenas p opiedades eléc icas como esis i idad de 10-4 Ω-cm, muy buena conduc i idad eléc ica a empe a u a de 0.55K en CNT de 1.4nm de diáme o y 5Ken Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD-CAM-CIM) CAPITULO I "ESTADO DEL ARTE" 13 CNT de0.5nm de diáme o, y ambién una excelen e conduc i idad é mica de 3000 W/m/K [7]. Todas es as p opiedades an e io men e mencionadas hacen que los nano ubos de ca bono sea un ma e ial con un g an u u o pa a el desa ollo indus ial en gene al. 1.3.3APLICACIONES Po odas las buenas p opiedades an e io men e mencionadas, que p opo cionan los nano ubos de ca bono, han hecho que sea un ma e ial con una gama amplia de aplicaciones.Unas de las p ime as aplicaciones p opues as pa a los CNT ue on como e ue zos o conduc o es eléc icos en compues os de ma iz polimé ica [10]. A con inuación se indica an algunas aplicaciones. Elec ónica: Las buenas p opiedades eléc icas de los nano ubos de ca bono, han pe mi ido se u ilizados en di e en es aplicaciones, las cuales se án ci adas a con inuación. • Nano ci cui os: in e conec o es. • Nano ci cui os: Diodos, T ansis o es. • Pan allas planas, lámpa as y ubos luminiscen es, ubos de ayos ca ódicos, li og a ía po haz de elec ones, uen es de ayos X, ampli icado es de mic oondas, ubos de desca ga en edes de elecomunicaciones, mic oscopios elec ónicos de ba ido, nano íodos, be a ones. • Memo ias pa a o denado es ya que se de o man en p esencia de un campo eléc ico po ue zas elec os á icas. • Fil os de adio ecuencia. • Senso es químicos y senso es elec omagné icos. • Mic o conduc o es elec ónicos. • Disposi i os op o eléc icos, ans o mando la luz en elec icidad y ambién se puede p oduci luz al inyec a se ca ga. Mecánica: Basados en las excelen es p opiedades mecánicas de los CTN as el descub imien o. Es as p opiedades son supe io es a las de cualquie ma e ial conocido. Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD-CAM-CIM) CAPITULO I "ESTADO DEL ARTE" 14 La endencia no mal ha sido dispe sa los nano ubos en ma ices de o os ma e iales con el in de ans e i pa e de las p es aciones mecánicas de los nano ubos a los ma e iales [8] [9]. 1.4 Nanocompues os Po el ago amien o de los ecu sos pe ole os, hacen que el PLA sea una al e na i a como un biopolíme o de o igen na u al muy alioso, pa a se aplicado como un sus i u o i me en aplicaciones au omo ices y en la elec ónica. Aunque las p opiedades mecánicas del PLA son muy buenas como se indica on an e io men e, iene algunas de iciencias como baja esis encia é mica, elocidad de de o mación, elocidad de c is alización, y ambién hay más exigencias desde o os g upos indus iales pa a uso inal, ales como e a do a la llama, an ies á ico pa a conduc o es eléc icos, an i UV, e c.[10] Po al azón hay muchas nanoca gas (es é icas idimensionales y poliéd ica, nano ib as o nanopa ículas), con lo que se han ealizado nanocompues os con PLA u ilizando di e en es mé odos de mezcla de PLA/CNT. Es o indica que el desa ollo in es iga i o po mejo a las p opiedades del PLA y p opo ciona a la indus ia de un ma e ial con buenas ca ac e ís icas y sob e odo biodeg adable se ha desa ollado con ue za has a la ac ualidad [10]. Las excelen es p opiedades de los nano ubos de ca bono como ísicas y al o módulo de Young's, hace que el ma e ial enga mucho in e és como nanoca ga, ambién po su excelen e conduc i idad eléc ica y é mica [10]. El mé odo más u ilizado pa a la unión de PLA/NTC es po usión di ec a [10]. Los nano ubos de ca bono son conside ados como el e ue zo pa a ma e iales compues os de al o endimien o. La cla e del compues o es la unión en e la in e az de los nano ubos de ca bono y la ma iz polimé ica [12]. 1.4.1 GENERALIDADES Los nanocompues os de ma e ial polimé ico se e ie e a un ma e ial mul i ase donde al menos uno de los ma e iales, en gene al la ca ga iene dimensiones en el ango manomé ico de (< 100nm) [10]. Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD-CAM-CIM) CAPITULO I "ESTADO DEL ARTE" 15 Desde el abajo desa ollado po Toyo a Cen al Resea ch Labo a o ies en el década de 1990, muchas in es igaciones se han lle ado a cabo sob e nanocompues os polimé icos mejo ando sus p opiedades [10]. El g an desa ollo de los nanocompues os se debe undamen almen e al a ance ecnológico que nos pe mi e una g an lexibilidad en las écnicas de mezclas pa a su ob ención. Las ca gas a nanoescala en políme os pe mi en ob ene ma e iales compues os polimé icos mul i uncionales con mayo es p opiedades mecánicas, eléc icas, óp icas, é micas o magné icos [10]. Exis en di e sos nanoca gas en di e en es amaños y o mas y se pueden clasi ica en es g andes ca ego ías sob e la dimensionalidad de las pa ículas manomé icas [10]: (i) nanoca gas en o ma de placa (1D) son ma e iales es a i icados ípicamen e con un espeso del o den de 1nm, pe o con una elación de aspec o después de sus dos dimensiones es an es de al menos 25. Las ca gas 1D más popula es son silica os en capas, las a cillas esméc icos, hid óxidos de doble capa, así como las hojas de g a eno [10]. (ii) Las nano ib as o ba bas (2D) ienen un diáme o in e io a 100nm con una elación de aspec o de po lo menos 100, po ejemplo nano ubos ca bono, sus a os nanocellulose, e c. (iii) Las nanopa ículas (3D) p esen an dimensiones 3D po debajo 100nm. Las nanoca gas 3D más conocidos son sílice pa ículas, de silsesquioxano oligomé ico poliéd ico y óxidos de me al. Debemos ene en cuen a que ambién es os ma e iales de nano ca gas se pueden clasi ica ambién en semi sin é ico, sin é ico o na u al, dependiendo de su ob ención. Pa a la p epa ación de los nano ubos se aplican cua o o mas, las cuales son: (i) Mé odo de solución: a pa i de la disolución de políme os en sol en e con pa ículas a nanoescala luego la e apo ación de disol en e o p ecipi ación; Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD-CAM-CIM) CAPITULO I "ESTADO DEL ARTE" 16 (ii) Mezcla en usión: que implica la mezcla di ec a de políme os con nanoca gas; (iii) Polime ización in si u: donde las nanoca gas se dispe san p ime o en monóme o líquido o solución de monóme o, seguido po polime ización en p esencia de pa ículas a nanoescala; y (i ) Sín esis de plan illa donde las nanoca gas son sin e izado a pa i de solución de p ecu so de políme os u ilizando como plan illa [10]. 1.4.3TENDENCIA EVOLUTIVA DE INVESTIGACIONES DE NANOCOMPUESTOS DE PLA CON NANO TUBOS DE CARBONO An es de hace una b e e desc ipción de los es udios que se han ealizado sob e nanocompues os de PLA con nano ubos de ca bono, p ime o se ealiza a un análisis de endencias de a ículos publicados (in es igaciones) sob e es e ema, pa a pode obse a cual es la endencia de in e és en el es udio de los nanocompues os. Pa a ello nos apoya emos en la base de da os de ScienceDi ec , chequeando el núme o de publicaciones ealizadas en la úl ima década. En la base de da os se u ilizó il os con el p opósi o de op imiza al máximo el núme o de a ículos sob e ca ac e ización y aplicaciones de nanocompues os de PLA/CNT, ob eniendo los siguien es esul ados. Figu a.- 8TENDENCIA EVOLUTIVA DE INVESTIGACIONES DE NANOCOMPUESTOS DE PLA CON NANOTUBOS DE CARBONO 0 10 20 30 40 50 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 # A iculos Años Tendencia e olu i a de In es igaciones de nanocompues os de PLA con nano ubos de ca bono # A iculos Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD-CAM-CIM) CAPITULO I "ESTADO DEL ARTE" 17 Debido a las buenas ca ac e ís icas que p esen an los dos ma e iales en cues ión, como se puede obse a , el in e és sob e el es udio de la ca ac e ización de nanocompues os de PLA/CNT es de g an in e és, con el a án de p opo ciona a la a la indus ia un ma e ial de mejo es ca ac e ís icas y pode amplia la gama de aplicaciones del mismo. 1.4.4 DESCRIPCIÓN DE INVESTIGACIONES SOBRE LA CARACTERIZACIÓN Y APLICACIONES DE NANOCOMPUESTOS DE PLA/MWCNTS. Algunos cen os de in es igación han desa ollado compues os de PLA con CNT, con el a án de ob ene un ma e ial que pueda usiona las excelen es p opiedades de cada ma e ial y de e mina unas aplicaciones iables. En es e í em se analiza an di e en es in es igaciones desa olladas de ma e ial compues o de PLA con nano ubo de ca bono, su ca ac e ización y aplicaciones, con el in e és de de e mina el desa ollo ob enido po el mismo y en oca la p esen e in es igación guiándonos en los p o y los con as de los es udios. Las in es igaciones que se han desa ollado has a la ac ualidad han ealizado la mezcla del PLA y de los nano ubos de ca bono con p oceso de mezcla undida (ex usión). Figu a.- 9Diag ama de p oceso de ex usión Las p opo ciones de mezcla se han ealizado en po cen aje de peso, lo que indica que el po cen aje en peso de los nano ubos de ca bono oscilan en e 0.3 a 5%, ya que con alo es mal al os de nano ubos de ca bono se ob end ía un ma e ial compues o demasiado solapado con nano ubos de ca bono, lo que p oduje a un compues o demasiado ágil y queb adizo. Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD-CAM-CIM) CAPITULO I "ESTADO DEL ARTE" 24 Dicho a chi o cuando se a a de imp eso as low cos , es ecupe ado po medio de so wa e de código abie o (open sou ce), en el cual se ealiza la di isión del modelo en capas pa a la imp esión 3D dependiendo de los pa áme os deseados y de e mina las ayec o ias a base de código G (ISO), pa a a con inuación p ocede la modelado en imp esión. Figu a.- 11Ciclo pa a la imp esión 3D (FDM) El p oceso de moldeado po deposición undida (FDM) u iliza el p oceso adi i o de ma e ial, deposi ando el ma e ial po capas pa a ealiza el con o mado de la pieza. El ma e ial plás ico ( ilamen o) que se encuen a en ollos, es in oducido a un p oceso de ex usión, ilamen o semi- undido a a és de una boquilla calen ada que calien a al ma e ial a la empe a u a de usión, dependiendo del modelo de la imp eso a el cabezal ex uso puede da los es mo imien o en x,y,z o son al e nados, el mo imien o en el eje "y" le da la base cale ac ada donde se deposi a el ma e ial y en los ejes x,z los da el cabezal ex uso , po lo gene al los mo imien os de x,y,z se los ealiza po medio de mo o es de paso o se os mo o es. Luego de que el ma e ial semi- undido es deposi ado sob e la mesa de abajo cale ac ada a una empe a u a meno dependiendo el ma e ial. Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD La unión las capas de hilo semi impulsado po la é mica y El p ocesos FDM u ilizan ma e iales básicos son ac iloni ilo (PLA), la base de da os de una emp esa que ende ma e ial pa a p ocesos de FDM son: ABSplus, ABSi, ABS- M30 PC-ISO, PPSF/PPSU, ULTEM 9085 1.5.3 PARÁMETROS DE El p oceso de imp esión 3D FFS low cos , nos pe mi en a ias posibilidades de es udio de los pa áme os que in e ienen en el p oceso de imp esión 3D, ales como: elocidad de deposición, ex usiona el ma e ial (diáme o de la boquilla), dis ancia exis en e en e la base de imp esión con la pun a de la boquilla y la elocidad de mo imien o de la boquilla de ex usión [28]. Todos es os p a áme os dependen di ec amen e del ipo de ma e ial a u iliza . P incipalmen e en el ma e ial se debe ene en cuen a la empe a u a de ex usión y la empe a u a de la base de imp esión. Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD CAPITULO I "ESTADO DEL ARTE" La unión las capas de hilo semi - undido con las capas p e iamen e deposi ado es y la ene gía de ma e ial semi- undido [24,25] Figu a.- 12Deposición po ex usión (FDM) [27] ocesos FDM u ilizan a ios ipos de ma e iales e moplás icos ma e iales básicos son ac iloni ilo -bu adieno- es i eno (ABS) y Acido poli lác ico (PLA), la base de da os de una emp esa que ende ma e ial pa a p ocesos de FDM son: M30 , ABS-M30i, ABS-ESD7, FDM Nylon 12 ULTEM 9085 [26]. 1.5.3 PARÁMETROS DE IMPRESIÓN FDM 3D LOW COST El p oceso de imp esión 3D FFS low cos , nos pe mi en a ias posibilidades de es udio de los pa áme os que in e ienen en el p oceso de imp esión 3D, ales como: elocidad de deposición, espeso de la capa, el ipo de boquilla adecuada pa a ex usiona el ma e ial (diáme o de la boquilla), dis ancia exis en e en e la base de imp esión con la pun a de la boquilla y la elocidad de mo imien o de la boquilla de a áme os dependen di ec amen e del ipo de ma e ial a u iliza . P incipalmen e en el ma e ial se debe ene en cuen a la empe a u a de ex usión y la empe a u a de la base de imp esión. Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD -CAM-CIM) CAPITULO I "ESTADO DEL ARTE" 25 undido con las capas p e iamen e deposi ado es e moplás icos , los es i eno (ABS) y Acido poli lác ico (PLA), la base de da os de una emp esa que ende ma e ial pa a p ocesos de FDM son: FDM Nylon 12 , PC, PC-ABS, El p oceso de imp esión 3D FFS low cos , nos pe mi en a ias posibilidades de es udio de los pa áme os que in e ienen en el p oceso de imp esión 3D, ales como: espeso de la capa, el ipo de boquilla adecuada pa a ex usiona el ma e ial (diáme o de la boquilla), dis ancia exis en e en e la base de imp esión con la pun a de la boquilla y la elocidad de mo imien o de la boquilla de a áme os dependen di ec amen e del ipo de ma e ial a u iliza . P incipalmen e en el ma e ial se debe ene en cuen a la empe a u a de ex usión y la Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD-CAM-CIM) CAPITULO I "ESTADO DEL ARTE" 26 1.6 Conclusiones Como se indicó an e io men e se puede de e mina que no hay in es igaciones sob e ma e iales compues os pa a aplicaciones en imp esión 3D. La mayo ía de los es ue zos de in es igación exis en es en FDM ienden p incipalmen e hacia el desa ollo de nue os ma e iales o écnicas de deposición de ma e ial [25], con el in de ob ene mejo es p opiedades mecánicas de las piezas y op imización de iempo de imp esión. Los nanocompues os a aen a in es igado es y a la indus ia, ya que con la combinación de las p opiedades mecánicas de los ma e iales (ma iz y ca ga), se ob ienen ma e iales de excelen es p opiedades mecánicas, lo que ha gene ado expec a i a de las indus ias [28]. ¿Puede un nano ma e iales y la ab icación adi i a o ece nue as opo unidades en imp esión 3D FDM low cos ? Es a usión de ecnologías pod ía o ece cla as en ajas po la manipulación de las p opiedades de los ma e iales (a a és de nano ma e iales) y aplica los en piezas imp esas que pueden posee geome ías pe sonalizadas, educido e a do en e i e aciones del diseño y la p oducción de una sola he amien a pa a la ob ención de piezas, a a és de 3D FDM. In es igaciones an e io es han demos ado esul ados p ome edo es en la inco po ación de nano ma e iales pa a ab icación adi i a (AM) pe o sin u iliza un nanocompues o p e iamen e mezclado [29]. Los nanocompues os como ma e ial de imp esión en 3D FDM Low Cos ; pa áme os del p oceso y mé odos pa a su aplicación no se han es udiado has a la ac ualidad [29]. Lo que se plan ea con el siguien e abajo es analiza la posibilidad de u iliza compues o mezclando el PLA con los NTC pa a la aplicación en p ocesos de imp esión 3D FFS ( ab icación con hilo undido) con imp eso as de bajo cos e, con el in e és de do a pa a la ab icación un ma e ial con esis encias mecánicas más al as que los ma e iales que no malmen e se ocupan en la ac ualidad que es el PLA y el ABS. Pa a Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD-CAM-CIM) CAPITULO I "ESTADO DEL ARTE" 27 pode da al sis ema de FFS Low Cos una aplicación en elemen os indus iales donde se equie a que el elemen o enga p opiedades mecánicas más al as. También se plan ea la aplicación de nanocompues os de PLA/MWCNT pa a piezas de ingenie ía aplicando ecnologías CAD-CAE en p oceso de inyección de plás icos, y do a a la indus ia un ma e ial con unas ele adas ca ac e ís icas mecánicas y que enga un ciclo de ida de e minado en base a la biodeg adación del ma e ial Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD-CAM-CIM) CAPITULO II "MATERIALES Y MÉTODOS" 28 CAPÍTULO II MATERIALES Y MÉTODOS 2.1. Ma e iales En el p esen e abajo se a a es udia un compues o de acido Poli lác ico (PLA) y nano ubos de ca bono de pa ed múl iple (MWCNTs), mezclados po el mé odo de usión a di e en es concen aciones, en po cen ajes de peso. 2.1.1 CARACTERÍSTICAS DEL MATERIAL UTILIZADO 2.1.1.1 Acido Poli lác ico (PLA) Pa a el desa ollo de es e abajo se u ilizada un PLA come cial Biopolyme 6201D, de la emp esa Na u eWo ks LLC. Las p incipales aplicaciones de es e políme o son: sec o de en ases y embalajes, ilms con posible con ac o con alimen os, ma ices polimé icas en ma e iales compues os, aplicaciones biomédicas, ealización de ejidos: sob e odo ib as con inuas pa a opa, ib as mezcladas con algodón, lana y o as ib as. Las p opiedades del PLA u ilizado son: Tabla 7PROPIEDADES DEL PLA UTILIZADO [30] P opiedad Unidad Valo Mé odo ASTM Tempe a u a de Fusión oC 1550-170 D3418 Tempe a u a de T ansición í ea Tg oC 55-60 D3417 Índice de luidez g/10min 15-30 D1238 Tenacidad g/d 2.5-5 D2256/D3822 Po cen aje de elongación % 10-70 D2256/D3822 Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD-CAM-CIM) CAPITULO II "MATERIALES Y MÉTODOS" 29 2.1.1.2 Nano ubos de Ca bono de pa ed múl iple (MWCNTs) Pa a la ob ención del nanocompues o en el p esen e abajo, se u ilizo MWCNTs come cial: NC 7000 que es de la emp esa NANOCYL, a con inuación se especi ican las p opiedades de los MWCNTs: Tabla 8PROPIEDADES DE LOS CNTs [31] P opiedad Unidad Valo Mé odo de medición Diáme o p omedio Nanóme os 9.5 TEM Longi ud p omedio Mic óme os 1.5 TEM Pu eza de ca bón % 90 TGA Oxido de me al % 10 TGA Mo ología - * HRTEM Á ea de supe icie M 2 /g 250-300 BET 2.2 P epa ación Nanocompues o La p epa ación del nanocompues o se la ealizo u ilizando el mé odo de usión di ec a. En donde los ma e iales (PLA/MWCNTs) ue on mezclados a mano po agi ación en una bolsa y luego colocados en la ol a de la ex uso a. En la p ime a ase de la p epa ación del nanocompues o se ealizó con el a án de ob ene un ma e ial base (mas e ba ch), de PLA/MWCNTs al 5% de olumen en peso, mezclando 475g de PLA y 25 g de MWCNTs. Figu a.- 13VOLUMEN DE MEZCLA DE PLA Y MWCNTs A 5% Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD-CAM-CIM) CAPITULO II "MATERIALES Y MÉTODOS" 30 La mezcla se ealizo en una ex uso a de doble husillo co- o a o io, ma ca DUPRA S.A.,a una elocidad de gi o del husillo de 40 pm. El mo imien o de los ma e iales en una ex uso a de doble husillo depon e de la di ección de gi o de los husillos. Figu a.- 14ESQUEMAS DE LOS MOVIMIENTO DE LA MATERA EN UNA EXTRUSORA DOBLE HUSILLO CO-ROTANTE (A) Y CONTRA-ROTANTE (B) La ex uso a posee 4 e mopa es pa a egula la empe a u a a lo la go del husillo. El pe il de empe a u as de los cua o con olado es de empe a u a se encuen a en e 200 y 205ºC, en la abla 9 se especi ica las empe a u as de cada zona, y una ez que el ma e ial es ex uido, el ma e ial pasa po un baño de agua a empe a u a ambien e, pa a pos e io men e se i u ado. Tabla 9TEMPERATURAS DE LAS ZONAS DE EXTRUSIÓN Tempe a u as del husillo de ex usión T1 ( o C) T2 ( o C) T3 ( o C) T4 ( o C) 202 202 203.5 205 Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD-CAM-CIM) CAPITULO II "MATERIALES Y MÉTODOS" 31 Figu a.- 15MASTERBATCH DE PLA /MWCNTs 5% 2.2.1 PREPARACIÓN DE LA MEZCLA Pa a la p epa ación de los nanocompues os de 0.5 y 1% de MWCNTs, se u ilizó el mas e ba ch p e iamen e ob enido como ma e ial base, al cual luego solo se adiciono una can idad ex a de PLA con el in e és PLA con el in e és de educi la can idad co espondien e de MWCNTs pa a cada nanocompues o. A con inuación se indican los olúmenes y los pesos de cada uno de los ma e iales. Tabla 10PESO DE LOS MATERIALES MEZCLADOS PARA OBTENER COMPUESTO DE 0,5 Y 1% DEMWCNTs Nanocompues o Mas e ba ch (mg) PLA(mg) PLA/MWCNTs 1% 43924,4 219622 PLA/MWCNTs 0.5% 23816,7 238167 Figu a.- 16CANTIDAD DE MASTERBATCH Y PLA PARA OBTENCIÓN DE NANOCOMPUESTO DE 0,5 y 1% de MWCNTs. Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD-CAM-CIM) CAPITULO II "MATERIALES Y MÉTODOS" 32 2.3 Mé odos de Ca ac e ización u ilizados Pa a el abajo ealizado, los ensayos que se ealiza on ue on Calo ime ía Di e encial de Ba ido (DSC), e Índice de Fluidez (MFI). A con inuación se desa olla a una b e e desc ipción de cada uno de los ensayos. 2.3.1 CALORIMETRÍA DIFERENCIAL DE BARRIDO Una b e e desc ipción de la calo ime ía di e encial de ba ido, o DSC, es una écnica expe imen al dinámica que nos pe mi e de e mina la can idad de calo que abso be o libe a una sus ancia, cuando es man enida a empe a u a cons an e, du an e un iempo de e minado, o cuando es calen ada o en iada a elocidad cons an e, en un de e minado in e alo de empe a u as [21,32]. Como egla gene al, puede deci se que odas las ans o maciones o eacciones donde se p oduce un cambio de ene gía, pueden medi se po DSC. En e las di e sas u ilidades de la écnica de DSC podemos des aca las siguien es: • Medidas de capacidad calo í ica apa en e ( enómenos de elajación es uc u al). • De e minación de empe a u as ca ac e ís icas de ans o mación o de ansición ales como: ansición í ea, ansición e o-pa amagné ica, c is alización, ans o maciones polimó icas, usión, ebullición, sublimación, descomposición, isome ización, e c. • Es abilidad é mica de los ma e iales. • Ciné ica de c is alización de los ma e iales. El p opósi o de es e es udio ue de e mina los cambios en las empe a u as de ansición í ea Tg y la empe a u a de usión de los ma e iales con di e en es po cen ajes de ca ga de MWCNTs. T ansiciones Ví eas: se iden i ica como un sal o en la línea base debido a un cambio en la capacidad calo í ica, aumen ando la plas icidad del ma e ial [33]. Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD Fusión: Apa ece como un pico endo é mico ya que se equie e un apo e de ene gía pa a ompe la es uc u a compac a de zona e moplás icos pa cialmen e Deg adación: debido a la na u aleza de los ma e iales polimé icos, basados en el ca bono, a cie a empe a u a se inicia su combus ión Los ensayos se ealiza on 1[34] y UNE- EN_ISO_11357 Pa a es e ensayo se Schwe zenbach, Suiza) , y el p og ama de empe a u a u ilizado ue de 30 a 350 10 o C/min bajo a mós e a de ni ógeno de 66 ml. Todas las 5 y 12mg. Figu a.- 17 METTLER DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA Y MATERIALES 2.3.2 ÍNDICE DE FLUI DEZ El ensayo de índice de luidez MFI básica pa a el con ol de la calidad de p opiedades de lujo de ma e iales e moplás icos, y de e mina si el ma e ial se encuen a den o del engo de luidez eque ido. De acue do con las 2[37] , el MFI es el peso del políme o undido a a és de una boquilla es ánda (2.095 x 8 mm) a una empe a u a dada y con un peso es ánda aplicado al pis ón, que empuja la Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD CAPITULO II "MATERIALES Y MÉTODOS" Fusión: Apa ece como un pico endo é mico ya que se equie e un apo e de ene gía pa a ompe la es uc u a compac a de zona s c is alinas. Ca ac e ís icas e moplás icos pa cialmen e c is alinos [33]. Deg adación: debido a la na u aleza de los ma e iales polimé icos, basados en el ca bono, a cie a empe a u a se inicia su combus ión [33]. ealiza on omando en cuen a las no mas UNE- EN_ISO_11357 EN_ISO_11357 -3[35]. Pa a es e ensayo se u ilizó un equipo Me le - Toledo 821 (Me le , y el p og ama de empe a u a u ilizado ue de 30 a 350 de ni ógeno de 66 ml. Todas las mues as ienen un peso en e METTLER -TOLEDO 821 , DETALLE DEL CRISOL O PORTA MUESTRAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA Y MATERIALES - UPV ALCOY DEZ (MFI) El ensayo de índice de luidez MFI o Mel Index se u iliza como una he amien a básica pa a el con ol de la calidad de p opiedades de lujo de ma e iales e moplás icos, y de e mina si el ma e ial se encuen a den o del engo de luidez De acue do con las no mas UNE-EN_ISO_1133-1[36] y U NE , el MFI es el peso del políme o undido a a és de una boquilla es ánda (2.095 x 8 mm) a una empe a u a dada y con un peso es ánda aplicado al pis ón, que empuja la Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD -CAM-CIM) CAPITULO II "MATERIALES Y MÉTODOS" 33 Fusión: Apa ece como un pico endo é mico ya que se equie e un apo e de Ca ac e ís icas de los Deg adación: debido a la na u aleza de los ma e iales polimé icos, basados en el EN_ISO_11357 - Toledo 821 (Me le -Toledo, , y el p og ama de empe a u a u ilizado ue de 30 a 350 o C C a mues as ienen un peso en e , DETALLE DEL CRISOL O PORTA MUESTRAS - UPV ALCOY se u iliza como una he amien a básica pa a el con ol de la calidad de p opiedades de lujo de ma e iales e moplás icos, y de e mina si el ma e ial se encuen a den o del engo de luidez NE -EN_ISO_1133- , el MFI es el peso del políme o undido a a és de una boquilla es ánda (2.095 x 8 mm) a una empe a u a dada y con un peso es ánda aplicado al pis ón, que empuja la Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD Figu a. Figu a. Las p uebas de imp esión FDM Low Cos ma ca PRUSA Mk V-BV. Figu a. Pa a la p og amación pa a y pa a el in e az se u ilizó Las empe a u as u ilizadas pa a las p uebas de imp esión de e mina on en los análisis DSC. Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD CAPITULO III "DISCUSIÓN Y RESULTADOS" Figu a. - 22 FILAMENTO EXTRUIDO DE PLA/MWCNTS 1% Figu a. - 23FI LAMENTO EXTRUIDO DE PLA/MWCNTS 0.5 Las p uebas de imp esión se ealiza on en el FabLab VLC, con un PRUSA modelo I3, con un ex uso (ho ends) Figu a. - 24IMPRESORA Y EXTRUSOR UTILIZADOS Pa a la p og amación pa a las p uebas de imp esión se u ilizó el so wa e Slice , el so wa e P on e ace. Las empe a u as u ilizadas pa a las p uebas de imp esión de e mina on en los análisis DSC. Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD -CAM-CIM) CAPITULO III "DISCUSIÓN Y RESULTADOS" 40 FILAMENTO EXTRUIDO DE PLA/MWCNTS 1% LAMENTO EXTRUIDO DE PLA/MWCNTS 0.5 % ealiza on en el FabLab VLC, con un a imp eso a (ho ends) ma ca J-Head el so wa e Slice , Las empe a u as u ilizadas pa a las p uebas de imp esión son las que se Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD Pa a imp imi se u ilizó so wa e Slice . Se ealiza on es p uebas con el ilamen o de PLA/MWCNT1% y dos p uebas con PLA/MWCNTs 0.5%. A con inuación se encu imp esión. P ueba Ma e ial Pa áme os de imp esión 1 PLA/MWCNTs 1% Tempe a u a ho ends: 177 Tempe a u a base: 60 Velocidad pe íme o Vel Espeso de 2 PLA/MWCNTs 1% Tempe a u a ho ends: 185 Tempe a u a base: 60 Vel Velocidad elleno Espeso de capa: 0,4 3 PLA/MWCNTs 1% Tempe a u a ho ends: 177 Tempe a u a base: 60 Vel Velocidad elleno Espeso de capa: 0,4 4 PLA/MWCNTs 1% Tempe a u a ho ends: 177 Tempe a u a base: 60 Velocidad pe íme o Velocidad elleno Espeso de capa: 0,4 Se baja on las elocidades 20% 5 PLA/MWCNTs 0.5% Tempe a u a ho ends: 185 Tempe a u a base: 60 Velocidad pe íme o Velocidad elleno Espeso de capa: 0,4 6 PLA/MWCNTs 0.5% Tempe a u a ho ends: 185 Tempe a u a base: 60 Velocidad pe íme o Velocidad elleno Espeso de capa: 0,4 Se aumen o la can idad de plás ico Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD CAPITULO III "DISCUSIÓN Y RESULTADOS" u ilizó los pa áme os que ienen p ede e minados en el so wa e Slice . Se ealiza on es p uebas con el ilamen o de PLA/MWCNT1% y dos p uebas con PLA/MWCNTs 0.5%. se encu e n a una abla de esul ados ob enidos en el p oceso de Pa áme os de imp esión Pieza imp esa Tempe a u a ho ends: 177 Tempe a u a base: 60 Velocidad pe íme o : 30 Vel ocidad elleno:60 Espeso de capa: 0,4 Tempe a u a ho ends: 185 Tempe a u a base: 60 Vel ocidad pe íme o: 30 Velocidad elleno :60 Espeso de capa: 0,4 Tempe a u a ho ends: 177 Tempe a u a base: 60 Vel ocidad pe íme o: 30 Velocidad elleno : 30 Espeso de capa: 0,4 Tempe a u a ho ends: 177 Tempe a u a base: 60 Velocidad pe íme o : 45 Velocidad elleno :30 Espeso de capa: 0,4 Se baja on las elocidades al 20% Tempe a u a ho ends: 185 Tempe a u a base: 60 Velocidad pe íme o : 45 Velocidad elleno :60 Espeso de capa: 0,4 Tempe a u a ho ends: 185 Tempe a u a base: 60 Velocidad pe íme o : 45 Velocidad elleno :60 Espeso de capa: 0,4 Se aumen o la can idad de plás ico de ex udi al 150% Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD -CAM-CIM) CAPITULO III "DISCUSIÓN Y RESULTADOS" 41 los pa áme os que ienen p ede e minados en el so wa e Slice . Se ealiza on es p uebas con el ilamen o de PLA/MWCNT1% y dos n a una abla de esul ados ob enidos en el p oceso de Obse aciones - Tempe a u a del ma e ial y base buena. - Velocidad del pe íme o buena. - Velocidad de elleno demasiada al a. - Tempe a u a del ho ends muy al o se cho ea el ma e ial. - Velocidad de elleno demasiada al a. - Bajando la elocidad de elleno mejo a la deposición del ma e ial. - El pe íme o se cho ea y se aumen a a la elocidad. - Bajando las elocidades al 20% mejo a, pe o el p oceso de imp esión es muy len a. - Mejo a la deposición en elación al ma e ial con 1% de MWCNTs. - Mejo a la imp esión. - Mejo a el p oceso de imp esión pe o hay que ene en cuen a que aumen amos el po cen aje de deposición un 150%. Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD-CAM-CIM) CAPITULO III "DISCUSIÓN Y RESULTADOS" 42 Los esul ados ob enidos son alen ado es pa a la implemen ación de un nano ma e ial de ácido poli lác ico (PLA) con nano ubos de ca bón de pa ed múl iple en el p oceso de imp esión 3D Low Cos FDM. Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD-CAM-CIM) CAPITULO IV "CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES" 43 CAPÍTULO IV CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 4.1 Conclusiones Se ha ealizado el es udio del a e con la in ención de ecopila in o mación sob e los ma e iales (PLA-MWCNTs), e sus p opiedades an o mecánicas como é micas, obse a aplicaciones de cada ma e ial, pa a luego ealiza un análisis de es udios ealizados con nanocompues o de PLA/MWCNTs, y aplicaciones que se han desa ollado, con lo cual se ha de e minado que la endencia de es udio de es e nanocompues o es ascenden e desde el 2010 has a la echa. También se ealiza una b e e desc ipción del p oceso de imp esión 3D FDM Low Cos y de los ma e iales e moplás icos exis en es en el me cado pa a imp esión, con lo cual se llegó a la conclusión que no hay en el me cando ni en publicaciones, es udios sob e la de e minación de la iabilidad de la implemen ación de un nanocompues o de PLA/MWCNTs pa a imp esión 3D FDM. Se ha ealizado la p epa ación de un nanocompues o de PLA/MWCNTs al 0.5 y 1% en olumen de peso, con la u ilización del p oseo de mezcla de es ado undido con una ex uso a de doble husillo co- o a o io, ma ca DUPRA, a una elocidad de gi o del husillo de 40 pm Con espec o a los análisis é micos y de luidez del nanocompues o, se puede deci que a medida que aumen a la can idad de los nano ubos de ca bono en la mezcla con PLA, la luidez disminuye, con espec o a la empe a u a de usión y la de ansición í ea el cambio de la empe a u a no es conside able ±3 o C y ±5 o C Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD-CAM-CIM) CAPITULO IV "CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES" 44 espec i amen e, a con inuación se ilus a una abla compa a i a de los esul ados ob enidos. Tabla 13TABLA RESUMEN DE RESULTADOS DE CARACTERIZACIÓN TÉRMICA Y DE FLUIDEZ. Nanocompues o Tg ( o C) T ( o C) Td( o C) MFI (g/10min) PLA i gen 68.43 178.12 298.16 24,40 PLA/MWCNTs 1% 70.14 184 320.73 24,24 PLA/MWCNTs 0.5% 67.10 177 316.27 20,54 Se puede ambién conclui que los cambios é micos y de luidez de los nanocompues o no di ie en demasiado con elación a los del PLA i gen. Con las p uebas ealizadas de imp esión con el nanocompues o se puede deci que la aplicación de un nano ma e ial de PLA/MWCNTs si es posible pa a el p oceso de imp esión 3D FDM Low Cos . El emo que se enía du an e la p ueba de imp esión es el aponamien o de la boquilla del ex ude lo cual no ue ningún p oblema con algunas acepciones, eso nos indican que el ango de po cen ajes de MWCNTs son adecuadas pa a ealiza más es udios. Du an e el p oceso de imp esión se pudo obse a un p oblema el cual se indica a a con inuación y sus posibles causas. • Fal a de con inuidad en la deposición: se puede indica es que el ma e ial no enga una mezcla homogeniza du an e su ob ención, ya que los o nillos de ex usión no ienen una longi ud su icien e pa a su homogenización. O o incon enien e que puede causa la al a de con inuidad de la deposición del ma e ial es que el ilamen o no iene un diáme o con iguo de cua o milíme os como el ma e ial come cial ya que a iaba de 2 a 4mm. Lo que causaba que du an e el p oceso de imp esión del ma e ial no haya la su icien e ue za de empuje del ma e ial y eso haga que el ma e ial no luya con inuamen e y po lo con a io ienda a eg esa se. Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD-CAM-CIM) CAPITULO IV "CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES" 45 La demasiada igidez del nano ma e ial ambién puede se una de las causas pa a discon inuidad de la deposición del ma e ial. 4.2 Es udios Fu u os. Teniendo en cuen a que la imp esión 3D FDM Low Cos es iable con nanocompues o, cla o es á que se debe ía hace un es udio más exhaus i o sob e la ca ac e ización y la ob ención del nano ma e ial eniendo los siguien es pun os: • Realiza una in es igación con mas po cen ajes de los nano ubos de ca bono en la ma iz polimé ica, y de e mina un po cen aje que nos pe mi a una imp esión más limpia, ya que con es a in es igación lo que se pudo de ini es que la imp esión con nanocompues os es iable y los angos de los po cen ajes de los nano ubos de ca bono pa a la con inuación de la in es igación. • De e mina la posibilidad de adiciona al ma e ial, un agen e de acople el cual haga que el ma e ial no sea muy ígido y que la dispe sión de los nano ubos sea más homogénea. • De e minación de las limi aciones du an e el p oceso de imp esión con espec o al nanocompues o, como po ejemplo la pendien e máxima con la cual se pod ía imp imi sin ene p oblemas de cho eo del ma e ial. • De e minación de las p opiedades mecánicas de piezas imp esas con es e ma e ial, eniendo en cuen a a iables como las densidades on o de la pe i e ia como del elleno de las piezas imp esas op imizando el olumen de ma e ial y el iempo de imp esión • De e minación de las ayec o ias más adecuadas dependiendo de la geome ía de las piezas con el in de ob ene mejo es esis encias mecánicas. Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD-CAM-CIM) CAPITULO IV "CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES" 46 4.3 Recomendaciones La u ilización de equipos que nos pe mi an una mejo a la mezcla del ma e ial, como po ejemplo un plas óg a o que cumple la unción de ealiza las mezclas a una empe a u a de e minada y du an e un iempo es anda izado. También pode ob ene un ma e ial más homogéneo con el diáme o calib ado pa a que las p uebas puedan se más op imas y pode desca a una de las supues as a iables que causa la discon inuidad del ma e ial du an e la imp esión. Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD-CAM-CIM) CAPITULO V "BIBLIOGRAFÍA" 47 CAPÍTULO V BIBLIOGRAFÍA [1]Au as, R. A., Lim, L. T., Selke, S. E., & Tsuji, H. (Eds.). (2011). Poly (lac ic acid): syn hesis, s uc u es, p ope ies, p ocessing, and applica ions (Vol. 10). John Wiley & Sons. [2]Ren, J. (2011). Biodeg adable poly (lac ic acid): syn hesis, modi ica ion, p ocessing and applica ions. Sp inge . [3] Maube , M., So o, L., León, A. M., & Flo es, J. (2009). Nano ubos de ca bono: La e a de la nano ecnología. Razón y palab a, (68), 17. [4] He áez, A. Las asomb osas es uc u as del ca bono: ulle enos, g a enos y nano ubos. [5] Demczyk, B. G., Wang, Y. M., Cumings, J., He man, M., Han, W., Ze l, A., & Ri chie, R. O. (2002). Di ec mechanical measu emen o he ensile s eng h and elas ic modulus o mul iwalled ca bon nano ubes. Ma e ials Science and Enginee ing: A, 334(1), 173-178. [6] Talukda , K., Ag awala, R., & Mi a, A. K. (2011). Dependence o mechanical cha ac e is ics and he ac u e and buckling beha io o single-walled ca bon nano ubes on hei geome y. New Ca bon Ma e ials, 26(6), 408-416. [7] Ma inez, M. (2007). Nue os ma e iales: nanoma e iale [diaposi i as de Powe Poin ]. Recupe ado de: h p://www.icb.csic.es/nano ubos/ i s .h ml Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD-CAM-CIM) CAPITULO V "BIBLIOGRAFÍA" 48 [8]Ma ínez, M. J. R., Ganze , J. R., & Hue as, M. L. C. (2007). Aplicaciones ac uales y u u as de los nano ubos de ca bono. Fundación Mad i+ d pa a el Conocimien o. [9] Alonso, J. (2007). P opiedades de los nano ubos de ca bono. Qué los hace in e esan es? [Diaposi i as de Powe Poin ]. Recupe ado de:h p://www.in a.es/no icias/documen os/Alonso_J_A.pd [10] Raquez, J. M., Habibi, Y., Mu a iu, M., & Dubois, P. (2013). Polylac ide (PLA)-based nanocomposi es. P og ess in Polyme Science, 38(10), 1504-1542. [11] Kuan, C. F., Kuan, H. C., Ma, C. C. M., & Chen, C. H. (2008). Mechanical and elec ical p ope ies o mul i-wall ca bon nano ube/poly (lac ic acid) composi es. Jou nal o Physics and Chemis y o Solids, 69(5), 1395-1398. [12] Wu, C. S., & Liao, H. T. (2007). S udy on he p epa a ion and cha ac e iza ion o biodeg adable polylac ide/mul i-walled ca bon nano ubes nanocomposi es. Polyme , 48(15), 4449-4458. [12] [13] Chiu, W. M., Chang, Y. A., Kuo, H. Y., Lin, M. H., & Wen, H. C. (2008). A s udy o ca bon nano ubes/biodeg adable plas ic polylac ic acid composi es. Jou nal o applied polyme science, 108(5), 3024-3030. [14] Maiza ulnisa, O., Tan, K. H., Mohd Yuso , H., Halisanni, K., Ruzaidi, G., Mohd Naza udin, Z.,...& Noo Azlina, H. (2013). E ec s o Mul i-Walled Ca bon Nano ubes (MWCNTS) on he Mechanical and The mal P ope ies o Plas icized Polylac ic Acid Nanocomposi es. Ad anced Ma e ials Resea ch, 812, 181-186. [15] Pa k, S. H., Lee, S. G., & Kim, S. H. (2013). Iso he mal c ys alliza ion beha io and mechanical p ope ies o polylac ide/ca bon nano ube nanocomposi es. Composi es Pa A: Applied Science and Manu ac u ing, 46, 11-18. [16] Kobashi, K., Villmow, T., And es, T., & Pö schke, P. (2008). Liquid sensing o mel -p ocessed poly (lac ic acid)/mul i-walled ca bon nano ube composi e ilms. Senso s and Ac ua o s B: Chemical, 134(2), 787-795. Más e en Diseño y Fab icación In eg ada Asis ida po Compu ado (CAD-CAM-CIM) CAPITULO V "BIBLIOGRAFÍA" 49 [17] Pö schke, P., And es, T., Villmow, T., Pegel, S., B ünig, H., Kobashi, K.,...& Häussle , L. (2010). Liquid sensing p ope ies o ib es p epa ed by mel spinning om poly (lac ic acid) con aining mul i-walled ca bon nano ubes. Composi es Science and Technology, 70(2), 343-349. [18] Shih, Y. F., Wang, Y. P., & Hsieh, C. F. (2011). P epa a ion and p ope ies o PLA/long alkyl chain modi ied mul i-walled ca bon nano ubes nanocomposi es. Jou nal o Polyme Enginee ing, 31(1), 13-19. [19] Peng, H. C., Kuan, C. F., Chen, C. H., Lin, K. C., & Kuan, H. C. (2011). S udy on he P epa a ion and P ope ies o Mul iwall Ca bon Nano ube Rein o ced Biodeg adable Polyme Blend. Ad anced Ma e ials Resea ch, 239, 145-149. [20] De aux, E., Aub y, C., Campagne, C., & Roche y, M. (2011). PLA/Ca bon Nano ubes Mul i ilamen Ya ns o Rela i e Humidi y Tex ile Senso . Jou nal o Enginee ed Fab ics & Fibe s (JEFF), 6(3). [21] Su inach, S., Ba o, M. D., Bo das, S., Cla ague a, N., & Cla ague a-Mo a, M. T. (1992). La calo ime ía di e encial de ba ido y su aplicación a la Ciencia de Ma e iales. Bol. Soc. Esp. Ce am. Vid , 31(1). [22]Ins o. (s. .) Recupe ado el 29 de Mayo del 2014, de h p://www.ins on.com.es/wa/solu ions/ISO-1133-Mel -Flow-Ra e- The moplas ics.aspx [23] Nyaluke, A. P., An, D., Leep, H. R., & Pa saei, H. R. (1995). Rapid p o o yping: applica ions in academic ins i u ions and indus y. Compu e s & Indus ial Enginee ing, 29(1), 345-349. [24]Modelado po deposición undid. (s. .). Recupe ado el 10 de Junio del 2014, de h p://es.wikipedia.o g/wiki/Modelado_po _deposici%C3%B3n_ undida [25] Li, L., Sun, Q., Bellehumeu , C., & Gu, P. (2002). Composi e modeling and analysis o ab ica ion o FDM p o o ypes wi h locally con olled p ope ies. Jou nal o manu ac u ing p ocesses, 4(2), 129-141.