Estudio del ensayo Single-Lap en materiales compuestos de impresión 3D

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Ingeniería Civil Estudio del ensayo Single-Lap en materiales compuestos de impresión 3D Autor: Pablo Rossi Garrido Tutor: María Teresa Aranada Romero Israel García García Dpto. de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2023 iii Trabajo Fin de Grado Ingeniería Civil Estudio del ensayo Single-Lap en materiales compuestos de impresión 3D Autor: Pablo Rossi Garrido Tutores: María Teresa Aranda Romero Israel García García Profesor titular Dpto. de Mecánica de los Medios Continuos y Teoría de Estructuras Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2023 v Trabajo Fin de Grado: Estudio del ensayo Single-Lap en materiales compuestos de impresión 3D Autor: Pablo Rossi Garrido Tutor: María Teresa Aranda Romero Israel García García El tribunal nombrado para juzgar el Trabajo Fin de Grado arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2023 El Secretario del Tribunal vii Agradecimientos Quisiera comenzar dándole las gracias a mi madre y a mi hermano por apoyarme durante todos estos años y estar a mi lado en los buenos y malos momentos. También a María José por acompañarme y ser un pilar fundamental en estos últimos tres años de estudio y esfuerzo, sin ella todo este proceso no habría sido el mismo. Por supuesto no pueden faltar en estos agradecimientos mis amigos de la carrera, todos y cada uno de ellos con los que he pasado horas de estudios en la biblioteca, comidas en los laboratorios y trabajos en el sótano, gracias a ellos este largo camino ha sido muchísimo más ameno y divertido. Me gustaría agradecer la ayuda de los profesionales del departamento de LERM José Ramón, Antonio, Miguel y Carlos. Por último y no por ello menos importante agradecer a mis tutores Teresa e Israel por su encomiable ayuda y atención durante este trabajo de investigación. Pablo Rossi Garrido Sevilla, 2023 ix xvii ÍNDICE DE TABLAS Tabla 4.2 Propiedades del Onyx ............................................................................................................................... 24 Tabla 4.1 Propiedades de la Fibra de Vidrio ........................................................................................................... 24 Tabla 6.1 Fuerza, desplazamiento y tensión máxima de las probetas planas ........................................................ 41 Tabla 6.2 Fuerza, desplazamiento y tensión máxima de las probetas estructuradas ............................................. 41 Tabla 6.3 Medidas de las probetas planas y estructuradas ...................................................................................... 41 Tabla 6.4 Media, desviación y error relativo de PE y PP ....................................................................................... 42 Tabla 6.5 Fuerza, desplazamiento y tensión cortante máxima de PS1 .................................................................. 45 Tabla 6.6 Fuerza, desplazamiento y tensión cortante máxima de PS2 .................................................................. 45 Tabla 6.7 Medidas de las probetas estructuradas simétricas .................................................................................. 45 Tabla 6.8 Media, desviación y errores relativos de PS1 y PS2 .............................................................................. 46 Tabla 6.9 Intervalos de confianza de las cuatro tipologías de probetas ................................................................. 47 xix ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1 Estructura interna de Nacre formada por diversas capas [1] ................................................................ 11 Figura 2.2 Interfases estructuradas presentes en la naturaleza [3].......................................................................... 12 Figura 2.3 Propagación de la grieta en el ensayo de cortadura [26] ...................................................................... 13 Figura 2.4 Momento asociado a carga excéntrica durante el ensayo [26] ............................................................. 13 Figura 2.5 Diferentes tipos de rotura adhesiva [18] ................................................................................................ 14 Figura 3.1 Proceso de fabricación mediante modelado por deposición fundida (FDM) [11] .............................. 17 Figura 3.2 Proceso de fabricación por estereolitografía (SLA) [12] ...................................................................... 18 Figura 3.3 Proceso de fabricación mediante sinterizado selectivo por láser (SLS) [13] ...................................... 18 Figura 3.4 Proceso de fabricación por procesamiento digital de luz (DLP) [14] .................................................. 19 Figura 3.5 Proceso de fabricación por deposición de energía directa (DED) [15] ............................................... 20 Figura 3.6 Proceso de fabricación mediante fusión por haz de electrones (EBM) [16] ....................................... 20 Figura 3.7 Proceso de fabricación por impresión Multijet (MJP) [17] .................................................................. 21 Figura 4.1 Impresora Mark Two fabricando una probeta estructurada ................................................................. 22 Figura 4.2 Caja sellada donde se introduce el Onyx ............................................................................................... 23 Figura 4.3 Onyx dentro de la caja de sellado ........................................................................................................... 23 Figura 4.4 Rollo de fibra de vidrio de 150 cm³ ....................................................................................................... 24 Figura 4.5 Menú principal programa online Eiger de Markforged ........................................................................ 25 Figura 4.6 Menú de configuración del programa online Eiger de Markforged .................................................... 26 Figura 4.7 Pestañas de la parte derecha del menú de configuración del programa Eiger de Markforged .......... 27 Figura 4.8 Menú de configuración XRAY del programa Eiger de Markforged ................................................... 28 Figura 5.1 Probeta plana vista frontal ...................................................................................................................... 29 Figura 5.2 Probeta plana vista en planta .................................................................................................................. 29 Figura 5.3 Probeta estructurada cara A .................................................................................................................... 30 Figura 5.4 Probeta estructurada cara B .................................................................................................................... 30 Figura 5.5 Dimensiones probetas planas y estructuradas ....................................................................................... 30 Figura 5.6 Configuración probetas Eiger ................................................................................................................. 32 Figura 5.7 Configuración XRAY de las probetas plana, estructurada cara A y cara B respectivamente ............ 32 Figura 5.8 Imperfecciones generadas en el extremo izquierdo de una probeta plana .......................................... 33 Figura 5.9 Imperfecciones generadas en la zona de solape de una probeta estructurada ..................................... 33 Figura 5.10 Proceso para comenzar la calibración de la impresora Mark Two .................................................... 33 Figura 5.11 Láminas metálicas para la calibración de la impresora ...................................................................... 34 Figura 5.12 Simulación 2D impresión de la fibra en una de las capas de la impresora obtenida en el menú XRAY .................................................................................................................................................................................... 34 Figura 5.13 Impresión de la fibra en una de las capas de la probeta cara A .......................................................... 34 Figura 5.14 Campana para proteger a las probetas de la humedad ........................................................................ 35 Figura 5.15 Imagen de todas las probetas planas y estructuradas para el ensayo de single-lap joint .................. 35 Figura 6.1 Máquina de funcionamiento estático INSTRON 4482 ........................................................................ 36 Figura 6.2 Mordazas para poder realizar el ensayo de fuerza ................................................................................ 37 Figura 6.3 Parte A y B del material adhesivo que se va a usar .............................................................................. 37 Figura 6.4 Probetas después de la unión del solape ................................................................................................ 38 Figura 6.5 Probetas guardadas herméticamente durante el proceso de curado ..................................................... 38 Figura 6.6 Probeta antes de comenzar con el enayo Single-Lap Joint .................................................................. 39 Figura 6.7 Resultados probetas estructuradas (PE) ensayo Single-Lap ................................................................ 40 Figura 6.8 Resultados probetas planas (PP) ensayo Single-Lap ............................................................................ 40 Figura 6.9 Rotura de algunas probetas estructuradas durante el ensayo ............................................................... 43 Figura 6.10 Probetas con interfase estructurada simétrica de 1 mm y 2 mm de amplitud respectivamente ....... 43 Figura 6.11 Espesor del adhesivo epoxi de las probetas estructuradas simétricas de 1 mm de amplitud ........... 44 Figura 6.12 Espesor del adhesivo epoxi de la probeta simétrica de 2 mm de amplitud ....................................... 44 Figura 6.13 Resultados fuerza-desplazamiento PS1 ............................................................................................... 45 Figura 6.14 Resultados fuerza-desplazamiento PS2 ............................................................................................... 46 Figura 6.15 Intervalos de confianza de las cuatro tipologías de probetas ............................................................. 47 Figura 6.16 Diferentes tipologías de fallos adhesivos [26] .................................................................................... 47 Figura 6.17 Solape de probetas estructuradas después de someterlas al ensayo de cortadura ............................. 48 Figura 6.18 Solape de probetas planas después de someterlas al ensayo de cortadura ........................................ 48 Figura 7.1 Cara B (arriba) y Cara A (abajo) de las probetas estructuradas ........................................................... 50 xxi xxiii Notación PE Probeta Estructurada PP Probeta Plana PS1 Probeta Simétrica 1 mm de amplitud PS2 Probeta Simétrica 2 mm de amplitud e Espesor 1 1 INTRODUCCIÓN n este primer capítulo, se explicarán las motivos por los cuales se ha decidido realizar este trabajo de investigación donde, probetas de materiales compuestos impresas con impresora 3D serán sometidas al ensayo Single-lap joint. También se indicarán cuáles son los objetivos que se persiguen en este trabajo, además, de detallar los diferentes capítulos con los que se va a estructurar el presente documento. 1.1 Motivaciones Durante muchos años, en la gran mayoría de industrias los procesos de fabricación se caracterizaban en hacer que el material se adaptase al molde, y así poder obtener la forma deseada. Luego se aplica un proceso de fabricación sustractiva, es decir, fresado, mecanizado, moldeo por inyección, con el objetivo de eliminar material sobrante, y así poder obtener el acabado deseado. En la actualidad este tipo de procesos tradicionales están siendo reemplazados por la fabricación aditiva, la cual es usada en múltiples sectores, como la industria sanitaria, aeronáutica o automotriz entre otras. A pesar de la variedad de procesos de fabricación aditiva, todos comienzan de la misma manera, modelando el objeto a través de un software CAD, para luego obtener el modelo digital en formato STL. Dicho archivo es leído por la impresora para poder imprimir el objeto. Este proceso ofrece una serie de ventajas con respecto a los procesos tradicionales como: reducción de los costes de producción, capacidad de imprimir formas complejas (flexibilidad) y disminución de los tiempos de producción. La fabricación aditiva permite el uso de distintos tipos de materiales, aunque los más usados son los termoplásticos. La principal desventaja de estos materiales son sus propiedades mecánicas, las cuales no son óptimas, para ello aquí se usa la opción de reforzarlo con fibras. En este caso, el material plástico que se va a usar en este trabajo es el Onyx, que es esencialmente Nylon reforzado con microfibras de carbono. Como se ha indicado anteriormente, existen muchos procesos de fabricación aditiva, los cuales serán discutidos más adelante en este documento. Además, se indicará el proceso que ha sido usado para este trabajo de investigación. La otra motivación por la cual se ha decidido realizar este trabajo, es la fuente de inspiración que suponen las estructuras internas presentes en la naturaleza, las cuales presentan millones de años de evolución, lo que hacen que se combinen buenas propiedades mecánicas con ligereza, como es el caso de los huesos. Por ejemplo, estudios realizados en nácar, revelan como su estructura, compuesta de geometrías complejas lo dotan de una gran resistencia a la fractura. Esto plantea la comparación entre interfaces estructuradas e interfaces planas, de forma que se puedan analizar la mejora en la resistencia de su unión, de las primeras frente a las segundas. Para caracterizar estas uniones, el ensayo single lap joint o ensayo de cortadura es comúnmente utilizado, sometiendo las probetas a tracción que permiten evaluar la resistencia de la unión entre los materiales utilizados en la impresión 3D, comparando las uniones planas y estructuradas. 1.2 Objetivos El objetivo de este trabajo es someter a dos tipologías de probetas fabricadas mediante impresión 3D al ensayo Single-lap joint. Para la impresión de las probetas se usará la Impresora 3D Mark Two. Durante el proceso de impresión se usará Onyx con un refuerzo de fibra de vidrio. E Interfases Estructuradas y Ensayo Single Lap-Joint 14 14 2.3 Factores A Tener En Cuenta Uno de los principales problemas que presenta este método es que la resistencia en la zona de solape va a variar en función de diferentes factores como por ejemplo la longitud de la zona de solape, el adhesivo que se va a usar o incluso el espesor de material adherente [4]. A continuación, se comentarán alguno de los efectos de estos factores. • Espesor del adhesivo: según estudios realizados, un mayor espesor del adhesivo en la zona de solape produce más imperfecciones, dando lugar a una menor resistencia de ésta [4]. • Longitud de la zona de solape: hasta un cierto punto, a medida que la longitud de solape crece la resistencia también lo hace [6]. • Rigidez del adherente con respecto al adhesivo: a mayor rigidez menor deformación y, por lo tanto, la distribución de las tensiones será más uniforme en la zona de solape. • Curado del adhesivo: este es otro factor a tener en cuenta ya que los coeficientes de dilatación térmica del adhesivo y de los adherentes son distintos, pudiendo generarse tensiones residuales. Otro efecto que también afecta a la resistencia de la zona de solape según estudios realizados es como de bien se hayan preparado ambas zonas antes de ser unidas entre sí. Para ello es conveniente lijar bien de forma que se genere mayor rugosidad. Una vez que se haya lijado hay que limpiar bien con acetona [6]. Un aspecto con el que hay que tener cuidado es el calor, ya que esto podría disminuir la resistencia en el solape de ambas probetas [6]. Tras haber realizado en el ensayo las probetas pueden romper por la zona de solape de diferentes formas. Dichas formas de rotura se pueden dividir en dos grupos: • Rotura cohesiva: en este caso lo que se puede ver es que en las zonas de solape de ambas probetas ha quedado adhesivo (Figura 2.5 b). En este tipo de rotura es difícil saber dónde empieza y termina la grieta [5]. • Rotura adhesiva: en este caso se puede ver como una de las zonas de solape tiene adherida todo el adhesivo y la otra no (Figura 2.5 a), debido a que se produce una deformación plástica. Con respecto a la anterior aquí sí que se puede ver donde empieza la fisuración [5]. • Rotura en el substrato: en este caso se produce una rotura del material en vez del solape, esto se debe a una mayor fuerza del solape con respecto al material (Figura 2.5 c). Figura 2.5 Diferentes tipos de rotura adhesiva [18] 15 15 Estudio del ensayo Single-Lap en materiales compuestos de impresión 3D 2.4 Otros Tipos De Uniones Simples • Remachadas: este tipo de unión consiste en realizar mediante un taladro agujeros en las zonas que van a ser unidas y pasar a través de ellos un vástago de diámetro d, con cabeza esférica. Este será calentado mientras se estampa en el otro extremo otro vástago. Una vez que se enfrían estos se contraen y comprimen las chapas. Normalmente los remaches están hechos de diversos materiales en función del tipo de material que se quiera unir y de la resistencia que se quiera obtener. Estos materiales pueden ser hierro dulce, acero, aluminio, cobre, etc [28]. • Uniones a tope: es una de las más usadas, para efectuar este tipo de unión hay que situar las dos chapas en un mismo plano para luego ser soldadas entre sus bordes. Hay que intentar que la soldadura penetre lo mejor posible y así conseguir una mejor transición entre las chapas que se van a soldar [29]. • Atornilladas: para este tipo de unión es necesario realizar orificios en las zonas de las chapas que se van a unir, para luego pasar a través de ellas un vástago de cabeza hexagonal y cuyo extremo presenta una zona roscada. Una vez que se ha pasado el vástago, por el otro extremo se colocan una arandela y una tuerca la cual se irá apretando hasta que ambas chapas queden bien apretadas [28]. Procesos De Fabricación Aditiva 16 16 3 PROCESOS DE FABRICACIÓN ADITIVA omo se ha indicado anteriormente, en este capítulo se comentaran las ventajas e inconvenientes de la fabricación aditiva así como, los diferentes procesos de fabricación aditiva que existen, destacando cuál de estos procesos se va a usar para la realización de este trabajo. Por último, se expondrán algunos sectores donde se usa este tipo de fabricación. La fabricación aditiva es un proceso por el cual se puede obtener un objeto en 3 dimensiones, a partir de la superposición de capas de material. El diseño de dicho objeto es introducido en la impresora a partir de un modelo digital realizado en CAD. El hecho de combinar varias piezas para así poder obtener el resultado deseado es la gran diferencia entre la fabricación aditiva y la sustractiva, la cual obtiene el producto final eliminando material de partida. 3.1 Ventajas e inconvenientes Las ventajas de la fabricación aditiva son las siguientes [9]: • Mayor fabricación de piezas internamente: a veces las empresas tienen que subcontratar a otras para la fabricación de determinadas piezas, lo que hace que dependan de las herramientas y maquinarias de otros. Además, esto implica un aumento en el coste de producción, disminución de tiempo de entrega y posibles problemas de calidad en las piezas. Es por ello que el avance en la fabricación aditiva ha supuesto una gran ventaja en las empresas, a la hora de no depender de otras, y poder fabricar sus propias piezas. De esta forma también permite a la empresa proteger sus secretos comerciales y sus innovaciones. • Reducción de los costes de producción: la impresión 3D permite a los fabricantes ahorrar grandes sumas de dinero con respecto a los procesos mecanizados. Para muchas de las empresas apostar por estos procesos de fabricación aditiva les supone un retorno de la inversión casi inmediato. • Libertad y complejidad en los diseños: el uso de impresoras 3D, permiten a través del software CAD diseñar infinidad de objetos con geometrías complejas, las cuales no serían posibles en procesos de mecanizados. • Rapidez en los plazos de entrega: el tiempo que se tarda desde que se obtiene el diseño hasta que se obtiene el objeto es muy poco en comparación con los procesos de fabricación sustractiva. Por lo tanto, el periodo de tiempo que conlleva la fabricación de una pieza se reduce considerablemente. • Control en la cadena de suministro: gracias a la impresión 3D la empresa puede controlar toda la cadena de suministro, lo cual les permite reducir la dependencia de empresas externas. • Capacidad de innovación: el hecho de apostar por los procesos de fabricación aditiva permite a las empresas centrarse en la innovación del producto, además de poder ir resolviendo aquellos problemas que se presenten. Con la impresión 3D las empresas no tienen que sufrir las limitaciones innecesarias que provocan los procesos de fabricación sustractiva. Los inconvenientes de la fabricación aditiva son los siguientes [9] [10]: • Costes de producción a gran escala: unos de los problemas que tiene la fabricación aditiva es cuando la producción de piezas se realiza en grandes cantidades, ahí el coste se hace muy grande. Desde el punto de vista económico es mejor cuando la producción es pequeña. C 17 17 Estudio del ensayo Single-Lap en materiales compuestos de impresión 3D • Costes en producciones sencillas: cuando la pieza a construir es muy simple, el coste de usar un proceso de fabricación aditiva es mayor con respecto a los procesos de producción tradicionales. • Limitaciones en la producción: unos de las grandes desventajas de la impresión 3D por ahora es la fabricación de piezas de gran tamaño. Aun así, los fabricantes de impresoras siguen trabajando para solventar este problema. • Coste de material: los materiales usados en la impresión 3D suelen costar más que los usados en otros procesos, esto es debido al tedioso proceso que se debe aplicar a los materiales para poder usarlos en los procesos de fabricación aditiva. • Anisotropía: un problema que presentan los objetos fabricados con impresión 3D es que la pieza en función de cómo haya sido impresa puede no tener las mismas propiedades mecánicas en todas sus dimensiones. Por ejemplo, el hecho de imprimir las capas a 45º con respecto a la fuerza que se va a ejercer mejora su resistencia. • Repetibilidad: durante un proceso de fabricación aditiva es complicado garantizar que las piezas fabricadas sean exactamente iguales, esto es debido a dos factores, el primero es la anisotropía y el segundo la gran variedad de parámetros que se pueden cambiar durante el proceso. • Estándares: a nivel industrial es muy importante estar seguro de que las piezas cumplen con los estándares establecidos. Problemas con la anisotropía o la capacidad de asegurar la repetibilidad en el proceso de producción dificulta el establecimiento de unos estándares. A pesar de que se sigue trabajando en ello, todavía no se han conseguido unos estándares fijos. 3.2 Tipos de procesos de fabricación aditiva A pesar de que este trabajo de investigación ha sido realizado con un único proceso de fabricación aditiva es importante conocer los diversos procesos que existen [9]: 1. Modelado por deposición fundida (FDM): este proceso también conocido como fabricación con filamento fundido (FFF), consiste en la extrusión de un hilo termoplástico capa a capa sobre una placa para así poder dar forma al objeto, como se muestra en la Figura 3.1. Este tipo de proceso tiene la ventaja de reducir costes, fabricación de piezas con mayor resistencia y ligereza, además de dotarlas de cierta tolerancia al calor. Como principal desventaja es el fenómeno de anisotropía que pueden tener las piezas. Figura 3.1 Proceso de fabricación mediante modelado por deposición fundida (FDM) [11] Procesos De Fabricación Aditiva 18 18 2. Inyección de aglutinante: en este proceso la pieza se crea con material en polvo, el cual se deposita en la placa de impresión, capa a capa hasta obtener el objeto en 3D. Tras imprimir cada capa de material, se usa un adherente líquido de forma que el polvo se pegue, adquiriendo forma sólida para así poder empezar con la siguiente capa. Sus ventajas son la precisión, velocidad y reducción de costes, esto se debe a que la maquinaria tiene diversos cabezales por los que inyecta aglutinante. Su desventaja es la reducción en la resistencia de la pieza con respecto a otros procesos de fabricación aditiva en metal. 3. Estereolitografía (SLA): la metodología de este proceso es el curado de un plástico liquido sensible a la luz para la fabricación de la pieza. Se expone cada capa a un láser ultravioleta, permitiendo endurecer las capas de forma rápida. Una vez que la capa ha sido curada, se adhiere a la siguiente hasta obtener la pieza. Este proceso puede ser observado de forma gráfica en la Figura 3.2. Este tipo de proceso se caracteriza por su precisión, detalle, complejidad y coste del equipo. Su principal problema es que las piezas de mayor tamaño podrían deformarse, además los objetos fabricados con este proceso carecen de resistencia. 4. Sinterizado selectivo por láser (SLS): durante este proceso se usan láseres para poder adherir el material, el cual viene en forma de polvo, y así poder obtener el objeto final. La impresora 3D apunta con el láser a puntos concretos donde esté el lecho de polvo, tal y como se puede ver en la Figura 3.3. Como ventajas hay que destacar su precisión y resistencia igual en todas las direcciones. Sus inconvenientes son las costosas maquinarias y su mantenimiento, además de la necesidad de contar con personal cualificado. Figura 3.2 Proceso de fabricación por estereolitografía (SLA) [12] Figura 3.3 Proceso de fabricación mediante sinterizado selectivo por láser (SLS) [13] 19 19 Estudio del ensayo Single-Lap en materiales compuestos de impresión 3D 5. Sinterizado de metal por láser (DMLS): este proceso tiene un funcionamiento similar al anterior (SLS), con la diferencia de que este funde por completo las partículas de polvo. Los principales puntos a favor de este tipo de procesos son: la estabilidad de las propiedades mecánicas, la amplia disponibilidad de materiales y la repetibilidad a la hora de fabricar las piezas. Sus puntos negativos son la dificultad en la adquisición y control de la maquinaria, por lo tanto, se requiere de personal cualificado. 6. Fabricación con filamento fundido de metal: en este proceso se parte de un polvo metálico adherido con plástico el cual se aplica capa por capa hasta crear la pieza. Después la pieza se limpia con una solución de aglomerante y se aglutina en un horno, de esta forma se quema el aglutinante de plástico y las partículas de polvo metálico se unen. Las principales ventajas de este tipo de proceso son la gran disposición de material, la reducción de los costes, la precisión y, por último, el uso de polvo aglomerante debido a su facilidad en el uso y seguridad. El pequeño inconveniente que tiene este tipo de procesos es que las piezas fabricadas no son completamente macizas por lo tanto su densidad no está completa y son más ligeras. 7. Procesamiento digital de luz (DLP): este tipo de proceso es muy parecido al SLA. La gran diferencia es que el DLP cura cada capa de material con una fuente de luz proyectada, obsérvese la Figura 3.4. Los puntos a favor que tiene es la velocidad y la capacidad de fabricar productos complejos con gran precisión. Los puntos en contra son el olor que desprende cuando la impresora está funcionando y el problema asociado a la deformación en las piezas de gran tamaño. 8. Deposición de energía directa (DED): para este proceso las piezas son fabricadas con hilos metálicos o metal en polvo y un láser. La impresora tiene una boquilla situada en un brazo biónico multieje, esto permite que el material pueda ser depositado en cualquier ángulo (ver Figura 3.5). Tras haber depositado el material, éste se funde con un haz de electrones. Figura 3.4 Proceso de fabricación por procesamiento digital de luz (DLP) [14] Procesos De Fabricación Aditiva 20 20 Sus dos principales ventajas son la posibilidad de fabricar piezas metálicas de gran tamaño y poder reparar piezas existentes. Los problemas de este proceso es el alto coste de la maquinaria, contratar a personas cualificadas para el uso de la maquina y contar con unas salas específicas para el uso del material en polvo. 9. Fusión por haz de electrones (EBM): todo el proceso se realiza en una cámara de vacío, donde el metal en polvo es fundido capa a capa mediante un haz de electrones de gran energía, guiados por un campo magnético, obsérvese la Figura 3.6. Sus ventajas más importantes son la velocidad de fabricación, así como su precisión y alta resistencia de las piezas fabricadas. Como principal inconveniente se necesita a personal cualificado para la manipulación de la impresora. 10. Impresión Multijet (MJP): este proceso también es conocido como inyección de material (MJ), ya que se depositan gotas de material fotorreactivo en la forma de cada capa. Para poder solidificar el material se usa luz ultravioleta. En la Figura 3.7 se puede ver gráficamente las fases de este proceso. Figura 3.5 Proceso de fabricación por deposición de energía directa (DED) [15] Figura 3.6 Proceso de fabricación mediante fusión por haz de electrones (EBM) [16] 21 21 Estudio del ensayo Single-Lap en materiales compuestos de impresión 3D La principal ventaja es la posibilidad de fabricar piezas con varios materiales y colores. Por el contrario, la resistencia y durabilidad de las piezas son bajas. 3.3 Aplicaciones de los procesos de fabricación aditiva A continuación, se expondrán las distintas aplicaciones que tiene la fabricación aditiva en diferentes sectores hoy en día [9]. 1. Sector energético: en este sector se usa la impresión 3D para fabricar piezas de forma que la construcción y mantenimiento de los aerogeneradores sea más rápido, simple y eficiente. 2. Sector de la maquinaria industrial: en este tipo de sectores se fabrican herramientas personalizadas con impresión 3D. Además, el uso de este tipo de procesos les permite lanzar al mercado de forma más rápida piezas para diferentes tipos de sistemas de maquinaria industrial. 3. Sector sanitario: gracias a la impresión 3D, los fabricantes de dispositivos y equipos médicos fabrican desde hebillas para torniquetes hasta equipos de protección individual para el COVID-19. 4. Sector aeronáutico: el uso de procesos de fabricación aditiva les permite imprimir piezas resistentes y ligeras para aviones y cohetes, además de poder fabricar herramientas a un costo reducido y con mayor rapidez. 5. Sector educativo: desde muchas universidades se están usando los procesos de fabricación aditiva para la formación de futuros científicos, ingenieros y fabricantes. 6. Sector científico: a través de la impresión 3D las diferentes empresas científicas fabrican piezas que luego se usarán en sistemas de automatización de laboratorios. 7. Sector dental: a partir de los procesos de fabricación aditiva se fabrican modelos para prótesis o dentaduras postizas. 8. Sector militar: el uso de la fabricación aditiva ha permitido a los Ejércitos de Tierra y Aire poder desarrollar los trabajos en I+D de forma más rápida, además de poder imprimir piezas de vital importancia que luego serán usadas en ubicaciones que se encuentran a una cierta distancia. Figura 3.7 Proceso de fabricación por impresión Multijet (MJP) [17] Impresora Mark Two 22 22 4 IMPRESORA MARK TWO n este capítulo se va explicar todo el proceso a realizar desde que se diseña la probeta mediante software CAD hasta que se pasa a la impresora, para luego fabricar la probeta. También se comentará el funcionamiento de la impresora, y de su programa que permite configurar cómo se quiere imprimir la pieza, desde la orientación de las capas hasta el material con el que se va a fabricar. 4.1 Funcionamiento de la impresora 3D En este apartado se va a explicar de forma escueta como hay que usar la impresora y cuáles son sus opciones más importantes. Para el uso de este tipo de impresora es muy importante que el usuario lea el manual facilitado por la empresa Markforged. Antes de encender la máquina y ponerla en funcionamiento, es importante estar seguros de que hay material suficiente para imprimir la pieza, ya que si no hay material suficiente la impresora seguirá imprimiendo la pieza sin el material. En el caso de que el material sea nuevo no hay problema, si el material ya ha sido usado hay que pesarlo e introducir la medida en la máquina. Otro paso muy importante antes de empezar a imprimir es comprobar que la maquina está bien calibrada, ya que, si no lo está pueden producirse errores en la impresión. Estas imperfecciones generadas en la pieza se comentarán con más detalle en el próximo capítulo. En cuanto a los materiales, es fundamental tener en cuenta dos aspectos. En primer lugar, el material Onyx debe estar guardado en unas condiciones óptimas, de no ser así pierde parte de sus propiedades. El segundo aspecto al que hay que prestar atención es al cargar la fibra de vidrio, la cual es muy frágil, es importante asegurarse que no esté doblada en ninguna zona. La impresora consta de dos cabezales una para la extrusión del material termoplástico, Onyx en este caso y otro para la fibra de vidrio. Antes de imprimir es importante preparar bien la cama donde se va a depositar el material, para ello hay que añadir un pegamento, de esta forma se asegura que la pieza quede bien fabricada. En la Figura 4.1 se puede observar la impresora Mark Two mientras fabrica una probeta. Una vez que se ha terminado de fabricar la pieza hay que remover el material con una espátula y luego limpiar el adhesivo que ha quedado en la cama de la impresora. E Figura 4.1 Impresora Mark Two fabricando una probeta estructurada 23 23 Estudio del ensayo Single-Lap en materiales compuestos de impresión 3D 4.2 Materiales que se van a usar Para la realización de este trabajo se van a usar los siguientes dos materiales. • Onyx: uno de los principales problemas del uso de termoplásticos son sus propiedades mecánicas, las cuales no son muy buenas. Por ello, se usan materiales compuestos. Sin embargo, en piezas con geometrías complejas no siempre es factible incluir filamentos de fibra continua, especialmente en zonas donde el ángulo de la trama tiende a cambiar abruptamente (normalmente coincidiendo con zonas que presentan concentradores de esfuerzos como esquinas, muescas, etc.). Este es el caso del Onyx, el cual está formado por un termoplástico, el Nylon y reforzado con unas microfibras de carbono, dotándolo de una mayor resistencia. Su color es negro y como se ha comentado antes es muy importante que el paquete donde llega esté bien sellado. Posteriormente se guarda en una caja sellada para reducir la humedad lo máximo posible debido a que este material es hidrófilo, es decir cuando entra en contacto con la humedad sus propiedades mecánicas se reducen. En la figura 4.2 se puede ver la caja donde se guarda el Onyx. El Onyx viene en paquetes de 800 cm³ y el cabezal tiene que adquirir una temperatura de 260º para que pueda ser extruido. En la Figura 4.3 se puede ver el material Onyx dentro de la caja de sellado, también se pueden ver en el fondo de esta unas bolsas para absorber la humedad que quede en el interior. Figura 4.2 Caja sellada donde se introduce el Onyx Figura 4.3 Onyx dentro de la caja de sellado Diseño Y Errores De Impresión 30 30 • Probeta estructurada: para el diseño de la probeta estructurada se ha partido de una probeta plana a la cual se le ha cambiado la superficie en la zona de solape, pasando a ser una superficie rugosa o estructurada formada por una serie de trapecios. Dichos trapecios tienen una amplitud de 1 mm y una longitud de onda de 5 mm. Estos valores se han tomado así por dos razones. En primer lugar, permiten que la fibra rodee bien los bordes de la zona estructurada. En segundo lugar, para garantizar que el espesor total de la pieza no supere los 4,76 mm especificados por la Norma [8], como se mencionó anteriormente. Ni la longitud ni la amplitud están sujetas a unos valores fijos, a pesar de que en algunos estudios [2, 19, 25] se suele usar una amplitud de 2 mm, que se ha identificado como el valor óptimo encontrado para maximizar las propiedades mecánicas cuando se emplean interfases estructuradas. En nuestro caso, se ha optado por reducir esta amplitud a 1 mm para asegurar que no exceda el máximo permitido. Las demás dimensiones como longitud de solape, de agarre, espesor, ancho y longitud total de la pieza son las mismas que en la probeta plana. Su espesor de solape también debe ser el mismo ya que una vez que hayan sido testeadas van a ser comparadas entre sí, y por lo tanto sus dimensiones deben ser iguales. En las Figuras 5.3 y 5.4 se pueden ver las caras A y B de la probeta estructurada. Las dimensiones de ambas probetas se podrán apreciar con mayor claridad en la Figura 5.5, teniendo en cuenta que ambas tienen un ancho de 25,4 mm. Figura 5.3 Probeta estructurada cara A Figura 5.4 Probeta estructurada cara B Figura 5.5 Dimensiones probetas planas y estructuradas 31 31 Estudio del ensayo Single-Lap en materiales compuestos de impresión 3D 5.2 Modelización y configuración de las probetas En este apartado se va a abordar el proceso de modelización de la probeta mediante el programa Civil 3D de la empresa AutoCad y posteriormente, cómo se ha configurado la probeta dentro del programa Eiger de la empresa Markforged. 1. Modelización Civil 3D: a pesar de que se pueden usar otros softwares para crear piezas en tres dimensiones yo elegí usar Civil 3D, ya que es el programa con el que estoy familiarizado debido a que es el que he usado durante toda la carrera. Para la modelización de las probetas he usado el espacio de trabajo Modelado 3D. La principal ventaja de éste es que, una vez diseñada la probeta en dos dimensiones solo hay que hacer clic en la ventana donde pone extrusión y darle el ancho o profundidad de la pieza, para así obtener la pieza en tres dimensiones. Para el diseño de la pieza en dos dimensiones se ha usado la opción de crear polilínea. 2. Configuración de la probeta: para la configuración de la probeta se usará el programa online Eiger. Para poder importar las probetas primero hay que exportarlas en formato STL desde Civil 3D. En el capítulo anterior se explicó todo el proceso de configuración dentro del programa Eiger, por lo tanto, en este apartado se explicará cuales parámetros se han escogido para nuestras probetas. Dentro de la pestaña de General, el material plástico va a ser Onyx y el refuerzo de fibra de vidrio. La impresora va a ser la Mark Two y la orientación de la pieza X=0 Y= 0 Z=180, es decir, impresa verticalmente, con la longitud y el espesor en la cama de impresión. Esta configuración va a permitir que la fibra continua alcance la zona dentada. El tiempo de impresión estimado para capa parte de probeta con este tipo de configuración vertical es de aproximadamente 4 horas para probetas con interfaz plana y de 4.30 horas para probetas con interfaz estructurada. Aunque el tiempo de impresión sea mayor en comparación con las probetas impresas en horizontal, es decir, con la longitud y el ancho sobre la cama de impresión, se ha buscado optimizar la calidad del resultado. Además, si la pieza se imprimiese en horizontal, se podrían producir efectos no deseados como el pandeo en las esquinas de las probetas, producidos por los cambios de temperatura durante la impresión [25]. En Settings se establece el espesor de la capa en 0.1 mm por el ancho de la probeta de 25,4 mm, dado que la impresión se llevará a cabo en posición vertical. En total, la probeta consta de 254 capas, de las cuales 252 capas están reforzadas con fibra continua de vidrio. Es importante destacar que tanto la primera como la última capa, designadas como suelo y techo respectivamente, se han realizado exclusivamente con material Onyx para optimizar el acabado final de la pieza. En el menú de relleno Infill, el patrón de llenado es Solid Fill y su densidad del 100%. Las capas de la pared se han fijado en 1, cuyo espesor se ha fijado el mínimo permitido por la impresora de 0,4 mm. Asimismo, las capas de techo y suelo de Onyx tienen un espesor de 0,1 mm cada una. Y por último en Reinforcement se ha establecido el número total de capas impresas con fibra de 252. El tipo de llenado puede ser Isotropic Fiber o Concentric Fiber y los demás parámetros se dejan en cero. En la Figura 5.6 se puede ver un resumen de toda la configuración realizada. Diseño Y Errores De Impresión 32 32 Antes de exportar el archivo para que la impresora lo lea, hay que hacer un cambio en el menú de XRAY. El primero de ellos es cambiar el Start Rotation Percent y fijarlo en uno de los extremos de la probeta, en cada probeta ese valor será distinto. En las Figuras 5.7 se puede ver la configuración de cada cara de la probeta en el menú de XRAY. Tras haber cambiado esos parámetros, ya se puede exportar el archivo a un pen drive para poder introducirlo en la impresora. Figura 5.6 Configuración probetas Eiger Figura 5.7 Configuración XRAY de las probetas plana, estructurada cara A y cara B respectivamente 33 33 Estudio del ensayo Single-Lap en materiales compuestos de impresión 3D 5.3 Imperfecciones durante la impresión 5.3.1 Calibración Durante la impresión de las primeras probetas no se observaron ningún tipo de imperfección, fue a partir de la cuarta probeta donde se empezaron a generar imperfecciones importantes en uno de sus extremos. Tras leer con más detenimiento el manual de la impresora, nos dimos cuenta de que el problema venía de una mala calibración de la impresora, ya que, si el extrusor de fibra y el del material plástico no están a un nivel adecuado se empieza a formar un aglutinamiento de material plástico en uno de los extremos, el cual se va acumulando capa a capa generando así irregularidades como las que se pueden ver en las Figuras 5.8 y 5.9. Para poder calibrar la impresora hay que ir al menú de esta, y pulsar en la pestaña donde pone Bed Level. Posteriormente hay que darle a Shim Bed Level, a partir de este momento comenzará la calibración. En la Figura 5.10 se puede observar con más claridad el proceso que se acaba de explicar. Primero, se calibra el extrusor de plástico el cual se irá posicionando en 3 puntos de la cama de la impresora. Cada vez que el extrusor se posicione hay que girar el tornillo que se encuentra justo debajo de la cama e ir probando mientras se desliza una lámina metálica entre el extrusor y la cama de la impresora. En el momento que la lámina pasa sin ofrecer demasiada resistencia se le da a la pantalla a Next de forma que el extrusor se coloca en la siguiente posición y se vuele a repetir el proceso, hasta que se finaliza con la calibración del extrusor de material plástico. Para la calibración de la fibra de vidrio el extrusor solo se va a colocar en una posición específica. Mediante una llave Allen se gira un tornillo situado en la parte superior del mismo hasta que la lámina de metal pase entre la cama de impresión y el extrusor de fibra sin oponer mucha resistencia. Es importante tener en cuenta que la lámina metálica que hay que usar es diferente a la anterior ya que su espesor varía, para la calibración de la fibra la lámina tiene un espesor mayor que la de plástico. A continuación, en la Figura 5.11 se pueden ver las láminas metálicas usadas. Figura 5.8 Imperfecciones generadas en el extremo izquierdo de una probeta plana Figura 5.9 Imperfecciones generadas en la zona de solape de una probeta estructurada Figura 5.10 Proceso para comenzar la calibración de la impresora Mark Two Diseño Y Errores De Impresión 34 34 Tras haber finalizado con la calibración dejaron de aparecer este tipo de imperfecciones. Aun así, por precaución es importante calibrar cada cierto tiempo. En este caso, se llevó a cabo esta calibración cada cuatro impresiones, de esta forma se evita que se pueda generar cualquier imprevisto y así poder dejar la máquina sin supervisión con mayor tranquilidad. 5.3.2 Impresión de la fibra continua de vidrio Uno de los problemas que se presentaban a la hora de incluir el refuerzo con fibra de vidrio era que la impresora no pudiera rodear bien toda la superficie de la probeta estructurada, ya que la zona de solape está formada por unas dentaduras de pequeño tamaño que dificultan el paso del extrusor por ellas. Gracias al menú XRAY del programa de la impresora se pudo ir viendo el comportamiento de la fibra en cada capa, de esta forma se consiguió establecer unas dimensiones óptimas para que la fibra pudiese rodear bien toda la superficie de la probeta, además de conseguir que los espesores de la probeta se encontrasen dentro de los valores permitidos. El único punto problemático donde la fibra no llega a rodear bien del todo la estructura es en el extremo final de la zona dentada tal y como se puede observar en la Figura 5.12. A pesar de que la fibra no redondea bien el diente en el extremo de la zona de solape, se considera un error despreciable ya que, en el resto de los dientes de la zona sí que se adhiere de forma correcta. En la Figura 5.13 se puede ver cómo queda la fibra adherida en la zona de solape y constatar que el error es mínimo. Figura 5.11 Láminas metálicas para la calibración de la impresora Figura 5.12 Simulación 2D impresión de la fibra en una de las capas de la impresora obtenida en el menú XRAY Figura 5.13 Impresión de la fibra en una de las capas de la probeta cara A 35 35 Estudio del ensayo Single-Lap en materiales compuestos de impresión 3D Tras haber finalizado con la impresión de una probeta es importante que se guarde en una campana como la de la Figura 5.14, ya que como se ha explicado en este documento el Onyx es un material hidrófilo y si se humedece demasiado sus propiedades mecánicas disminuyen. En la Figura 5.15 se pueden observar las probetas ya finalizadas y listas para ser pegadas y poder realizar en el ensayo. Figura 5.14 Campana para proteger a las probetas de la humedad Figura 5.15 Imagen de todas las probetas planas y estructuradas para el ensayo de single-lap joint Ensayo Y Resultados 36 36 6 ENSAYO Y RESULTADOS n este capítulo se comentará todo lo referente al ensayo, desde la preparación de las probetas hasta el objetivo del mismo, pasando por algunos aspectos a tener en cuenta a la hora de realizarlo. Por último, se comentarán los resultados obtenidos a través de este. 6.1 Maquinaria El principal objetivo de este ensayo es obtener la curva fuerza-desplazamiento de cada probeta, y así de esta forma poder obtener la fuerza máxima de cada una de ellas. Para ello se usará la maquina INSTRON 4482, la cual se puede observar en la Figura 6.1. Esta máquina permite realizar diferentes tipos de pruebas estáticas: tracción, flexión o cortadura entre muchas otras. La máquina funciona como un tornillo sin fin el cual es capaz de aplicar cargas de hasta 100 KN, en este caso con la célula de carga de 5 KN será suficiente. En función del ensayo que se vaya a realizar el utillaje de la maquina cambia, en este caso se usarán unas mordazas como las de la Figura 6.2. Dichas mordazas varían en función del espesor de la probeta que se va a colocar entre ellas, para estos ensayos se usarán aquellas que van de los 6 – 12 mm, ya que el espesor de la probeta más el taco es igual a 7,6 mm. E Figura 6.1 Máquina de funcionamiento estático INSTRON 4482 37 37 Estudio del ensayo Single-Lap en materiales compuestos de impresión 3D Además, se cuenta con un equipo de ordenadores para poder registrar los datos necesarios y de un medidor de temperatura para asegurar que el espacio donde se va a realizar el ensayo tenga las condiciones adecuadas. 6.2 Preparación de las probetas Antes de comenzar con el ensayo hay que proceder con la unión del solape de las probetas a través de la zona de solape de éstas. Para ello, primero se lijará la zona con papel de lija de forma que haya cierta rugosidad antes de poner el adhesivo epoxi. Una vez que todas las probetas han sido lijadas, se prepara el adhesivo. Para ello es necesario mezclar sus dos componentes, HexBond EA9394 STRUCTIL Part A con HexBond EA9394 STRUCTIL Part B, con una proporción 100-17 respectivamente. En la Figura 6.3 se pueden ver ambos componentes del adhesivo epoxi. Figura 6.2 Mordazas para poder realizar el ensayo de fuerza Figura 6.3 Parte A y B del material adhesivo que se va a usar Ensayo Y Resultados 38 38 Antes de poner el material adhesivo en la zona de solape hay que limpiar bien con acetona la superficie, una vez que se han pegado ambas partes hay que cubrirlas con un film no adhesivo y fijar bien la zona con unas bridas ya que estas permiten que las uniones no se deslicen, tal y como se puede observar en la Figura 6.4. También podrían ponerse unos pesos encima de las uniones de forma que la presión aplicada fuese más uniforme a lo largo de toda la zona de solape, pero una de las partes deslizaba sobre la otra dificultando la unión de forma correcta. Es importante que tras haber preparado bien las probetas, estas sean protegidas del sol y de la humedad, por ello se meten dentro de una bolsa de plástico cerrada herméticamente. Dentro de la bolsa también es preciso añadir algunas bolsitas que absorban humedad. En la Figura 6.5 se pueden ver todas las probetas protegidas y listas para comenzar el periodo de curado. Figura 6.4 Probetas después de la unión del solape Figura 6.5 Probetas guardadas herméticamente durante el proceso de curado 39 39 Estudio del ensayo Single-Lap en materiales compuestos de impresión 3D 6.3 Tacos de Onyx Antes de comenzar a realizar el ensayo, es muy importante imprimir unos tacos rectangulares con dimensiones iguales al ancho de la probeta 25.4 mm, longitud de agarre 22.5 mm y espesor de la probeta 3.8 mm. Estos tacos se situarán en la zona de agarre tal y como se puede ver en la Figura 6.6. El uso de los tacos durante el ensayo es muy importante por el motivo comentado en el Capítulo 2. Cuando la máquina esté traccionando la probeta por los extremos, como se observa en la Figura 6.6, la fuerza aplicada debe estar alineada con el plano horizontal de la zona de solape, de no ser así se generaría un momento en la pieza y por lo tanto una deformación no deseada. La incorporación de estos tacos asegura la alineación precisa de la fuerza aplicada, contribuyendo así a la integridad y la exactitud de los resultados del ensayo. Los tacos se han fabricado utilizando exclusivamente material Onyx, sin incluir refuerzo de fibra de vidrio. Dada la superficie poco rugosa de contacto entre el taco y la probeta, se ha implementado una solución adicional para garantizar un agarre seguro durante el ensayo. Con este propósito, se añade un pequeño trozo de papel de lija entre las superficies de contacto. Esta medida asegura que, durante el funcionamiento de la máquina, el papel de lija permanezca adherido a la superficie de agarre, proporcionando así una mayor fricción y estabilidad durante el proceso de tracción. 6.4 Resultados Tras haber ensayado las cinco probetas planas y las cinco estructuradas con la célula de carga de 5 KN y una velocidad de 1,3 mm/min bajo control en desplazamientos, de acuerdo con la Norma [8], se han obtenido los siguientes resultados. Figura 6.6 Probeta antes de comenzar con el enayo Single-Lap Joint Ensayo Y Resultados 46 46 Tal y como se puede observar en las Figuras 6.13 y 6.14 los valores de fuerza de rotura no han mejorado los de la probeta estructurada inicial. En el caso de las probetas con amplitud de 1 mm su comportamiento es mejor que las de 2 mm, esto puede deberse a que los dientes de estas últimas están prácticamente horizontales impidiendo que la grieta puede abrirse paso entre ellos y provocando que tenga un comportamiento más bien plano. En el caso de las probetas simétricas de 1 mm de amplitud, se observó una mejora significativa en el comportamiento de la rotura. En este caso, la grieta logró pasar por todos los dientes hasta que finalmente se produjo la rotura, como se evidencia claramente en la Figura 6.13, donde en la gráfica fuerza-desplazamiento se aprecian los picos mencionados anteriormente, reflejando un comportamiento estable-inestable. Sin embargo, se observa que la segunda probeta ensayada rompe mucho antes que las otras dos. Este comportamiento podría atribuirse a la posibilidad de que la zona de solape no estuviera perfectamente alineada durante el proceso de pegado. Como se ilustra en la Figura 6.10, en la imagen izquierda, los dientes están desplazados entre sí, sin llegar a encajar completamente debido a un error de impresión. Aunque estas probetas simétricas no hayan mostrado una mejora cuantitativa con respecto a las estructuradas iniciales, son las que más se acercaron en términos de fuerza a la que se produjo la rotura. Para poder entender un poco mejor la diferencia que supone el comportamiento de las probetas estructuradas simétricas con respecto a las estructuradas iniciales, se ha obtenido el error relativo. Como se puede ver en la Tabla 6.8, la probeta estructurada inicial mejora en más de un 20% el comportamiento de la probeta estructurada simétrica de 1 mm de amplitud y en casi un 40 % a la de 2 mm de amplitud. Tabla 6.8 Media, desviación y errores relativos de PS1 y PS2 Figura 6.14 Resultados fuerza-desplazamiento PS2 47 47 Estudio del ensayo Single-Lap en materiales compuestos de impresión 3D Por último, tras obtener los valores de la Tabla 6.8 se ha podido realizar una tabla para la representación gráfica de los intervalos de confianza, los cuales se ven reflejados numéricamente en la Tabla 6.9 y gráficamente en la Figura 6.15. 6.6 Tipos de Rotura Tal y como se comentó en el capítulo 2 en el apartado del ensayo single-lap, las probetas cuando se someten a un ensayo de cortadura presentan distintos tipos de rotura, las cuales ya han sido definidas. Cabe destacar que de las tres formas distintas en las que pueden romper hay una que no se ha dado bajo ningún concepto que es el fallo de sustrato, la cual es un indicador de error por sobredimensionamiento. Si se analizan las zonas de solape de todas las probetas una vez realizado los ensayos, se podría decir que el tipo de fallo que más se repite es un término medio entre el fallo adhesivo y cohesivo en la Figura 6.16 se puede apreciar mejor este fallo intermedio del que se habla. PE PP PS1 PS2 Media 4580.76 3785.91 3613.02 2865.19 Inter sup 4834.49 4104.47 4401.11 3357.66 Inter inf 4327.04 3467.35 2824.94 2372.72 Tabla 6.9 Intervalos de confianza de las cuatro tipologías de probetas Figura 6.15 Intervalos de confianza de las cuatro tipologías de probetas Figura 6.16 Diferentes tipologías de fallos adhesivos [26] Ensayo Y Resultados 48 48 En las Figuras 6.17 y 6.18 se pueden observar algunas de las probetas después de haber sido ensayadas, de esta forma se puede observar con más claridad los dos principales fallos que se han producido. Figura 6.17 Solape de probetas estructuradas después de someterlas al ensayo de cortadura Figura 6.18 Solape de probetas planas después de someterlas al ensayo de cortadura 49 49 Estudio del ensayo Single-Lap en materiales compuestos de impresión 3D En las probetas planas se puede ver como claramente el tipo de fallo que se produce es intermedio ya que el adhesivo no ha quedado adherido completamente en ambas partes de las probetas, se aprecian zonas donde no hay adhesivo. En el caso de las probetas estructuradas se puede ver que el fallo que se produce es más parecido a un fallo cohesivo ya que en ambas caras de la probeta hay adhesivo casi por completo, aunque es cierto que hay algunas zonas donde no se aprecia presencia del adhesivo epoxi. Conclusiones 50 50 7 CONCLUSIONES n este último capítulo se realizarán algunos comentarios tras haber obtenidos los resultados tanto de las probetas iniciales como las que se realizaron como posible mejora, para así poder llegar a una conclusión final al respecto En este trabajo se han comparado dos tipologías de probetas impresas en 3D al ensayo de cortadura simple. Para la impresión de las probetas se ha usado la Impresora 3D Mark Two. Durante el proceso de impresión se ha usado el material Onyx con un refuerzo de fibra de vidrio. Ambas configuraciones han tenido la misma geometría rectangular, con la salvedad que unas han presentado una zona de solape con interfase plana y otras con interfase estructurada. Con este ensayo hemos obtenido las curvas fuerza-desplazamiento para determinar la carga máxima de cada muestra. A partir de esta carga máxima, se ha calculado y analizado la tensión crítica cortante para ambas configuraciones y comparar así cuál presenta un mejor comportamiento. Además, y con el objetivo de analizar posibles mejoras, se han fabricado otras dos configuraciones estructuradas cambiando los parámetros de la interfaz estructurada. En total, se ha comparado las probetas que presentan una interfaz plana con tres configuraciones de interfaz estructurada modificando la amplitud del diente. A continuación, se presentan las conclusiones más relevantes para cada configuración estructurada respecto a la plana. 7.1 Probetas iniciales En cuanto a las probetas estructuradas fabricadas inicialmente (PE), tal y como se ha podido observar en los resultados del capítulo anterior, hay una mejora de casi un 20% frente a las probetas planas (PP). Esto evidencia una mejora considerable en el rendimiento de la resistencia a cortante al comparar la tensión crítica cortante para la nueva geometría de interfaz estructurada propuesta con respecto a la probeta de unión simple con interfaz plana. Los resultados indican que la introducción de la interfaz estructurada ha generado una mejora considerable en la capacidad resistente a cortante de la unión con esta nueva configuración. Aparte de la mejora a nivel cuantitativo, durante el ensayo se observó que la rotura de la probeta estructurada no seguía bien los dientes de ésta, es decir la grieta se propagaba en los dos primeros dientes y ya luego rompía por completo, lo cual no es el efecto que se esperaba. Esto se debe a que la zona de unión de ambas partes de la probeta no es simétrica, provocando que una de las partes tenga mayor sección resistente que la otra y, por lo tanto, la grieta comienza siempre por esta última. Esto que se ha comentado se puede ver en la Figura 7.1 En la gráfica fuerza-desplazamiento esto se vería reflejado como unos picos cuando se llega al máximo y tal como se puede observar en la Figura 6.6 del capítulo anterior dichos picos apenas se generan, solo en algunas ocasiones. Es por ello por lo que se decidió efectuar unas mejoras como las explicadas en el apartado anterior, donde la zona de solape de ambas probetas fuese completamente simétrica, consiguiendo así un crecimiento más estable de la grieta. E Figura 7.1 Cara B (arriba) y Cara A (abajo) de las probetas estructuradas 51 51 Estudio del ensayo Single-Lap en materiales compuestos de impresión 3D 7.2 Probetas con mejoras Tras ensayar las probetas estructuradas simétricas, PS1 y PS2, se vio que realmente no se producía ninguna mejora a nivel cuantitativo. En el caso de las probetas de 2 mm de amplitud (PS2) la rotura era prácticamente plana, es decir, la grieta no era capaz de pasar por los dientes, esto se puede deber al hecho que los dientes tenían muy poca inclinación ya que la amplitud se aumentó a 2 mm, pero la longitud de onda se mantuvo igual. En el caso de las probetas simétricas de 1 mm de amplitud (PS1) sí que hubo una mejora en cuanto a la rotura, ya que esta vez la grieta si llegó a pasar por todos los dientes hasta que al final rompe. Esto se ve muy bien reflejado en la Figura 6.12 donde en la gráfica fuerza-desplazamiento aparecen esos picos que se comentaban en el apartado anterior. De esa misma Figura se puede ver como la segunda probeta ensayada rompe mucho antes que las otras dos, esto puede deberse a que la zona de solape no estuviese perfectamente alineada en el pegado, ya que como se puede observar en la Figura 6.10 en la imagen izquierda los dientes están desplazados entres sí, sin llegar a encajar por completo, esto es debido a un error de impresión. Aunque estas probetas tampoco supusiesen una mejora a nivel cuantitativo con respecto a la estructurada inicial, sí que es la que más ha llegado a acercarse en la fuerza a la que rompe, con la salvedad de la segunda probeta. 7.3 Fabricación aditiva A pesar de que la fabricación aditiva está suponiendo un avance en la industria, hoy en día considero que la impresión 3D no puede ser el único proceso para la fabricación de piezas a nivel industrial. Si es cierto que supone un buen complemento a los procesos de fabricación sustractiva que han sido usados desde hace años. Por ejemplo, el uso de la fabricación aditiva está justificado cuando se quiera fabricar algún prototipo de una pieza, ya que permite una mayor libertad en el diseño y rapidez. Además, en el proceso de creación de la pieza lo que se busca es perfeccionarla, mejorar los detalles y, por lo tanto, el volumen de fabricación no es muy alto [27]. Cuando se requiere de un gran volumen de fabricación, sobre todo en piezas de gran tamaño y menor complejidad, los procesos de fabricación sustractiva empiezan a ganar importancia. Además, de poder obtener unos mejores acabados finales [27]. Otro ejemplo donde los procesos mecanizados se hacen importantes es cuando se quieren fabricar piezas en metal, ya que a pesar de poder usar este tipo de material en la impresión 3D, es más costoso [27]. Además, de la fabricación de prototipos, los fabricantes usan la impresión 3D, cuando necesitan piezas personalizadas con muchos detalles o formas complejas o elementos de utillaje que luego serán usados en la producción de la fábrica. En definitiva, hoy en día se usan procesos de fabricación híbridos que permiten combinar la versatilidad y rapidez de los procesos aditivos con la resistencia y propiedades mecánicas de la fabricación sustractiva. Opino que a día de hoy es la mejor opción, quizás con el avance de las tecnologías se consigan fabricar grandes volúmenes de piezas de gran tamaño con impresora 3D a costes reducidos, pero en la actualidad eso no es posible, por lo tanto, lo mejor es que ambos procesos se sigan complementando. Referencias 52 52 REFERENCIAS [1] Kamen Tushtev, Michael Murck, Georg Grathwohl, "On the nature of the stiffness of nacre," Materials Science and Engineering: C, Volume 28, Issue 7, 2008 [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] M.T. Aranda, J. Reinoso, I.G. García, "On different 3D printing methods and fracture performance in DCB composite specimens including structured interfaces," Theoretical and Applied Fracture Mechanics, Volume 122, 2022. I.A. Malik, M. Mirkhalaf, F. Barthelat, "Bio-inspired “jigsaw”-like interlocking sutures: Modeling, optimization, 3D printing and testing," Journal of the Mechanics and Physics of Solids, Volume 102, 2017. Lucas. 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