Puesta a punto y caracterización de probetas de material compuesto fabricadas con un sistema de impresión 3D

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Ingeniería de las Tecnologías Industriales Mención en Materiales Puesta a punto y caracterización de probetas de material compuesto fabricadas con un sistema de impresión 3D Dpto. de Mecánica de Médios Continuos y Teoría de Estructuras Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Autor: Manuel Mudarra Acebedo Tutores: Jesus Justo Estebaranz Luis Arístides Távara Mendoza Sevilla, 2021 iii Proyecto Fin de Carrera Ingeniería de las Tecnologías Industriales Puesta a punto y caracterización de probetas de material compuesto fabricadas con un sistema de impresión 3D Autor: Manuel Mudarra Acebedo Tutores: Jesús Justo Estebaranz Luis Arístides Távara Mendoza Dpto. de Mecánica de Médios Continuos y Teoría de Estructuras Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2021 v Proyecto Fin de Carrera: Puesta a punto y caracterización de probetas de material compuesto fabricadas con un sistema de impresión 3D Autor: Manuel Mudarra Acebedo Tutores: Jesús Justo Estebaranz Luis Arístides Távara Mendoza El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2021 El Secretario del Tribunal vii Agradecimientos A mis padres, por haber hecho posible que llegara hasta aquí. Gracias por haberme apoyado en todas las etapas de mi vida y estar dispuestos a dar todo por mi. A mi hermano, por acompañarme durante toda mi vida y ser un amigo con el que siempre podré contar. A mis tutores, Jesús Justo y Luis Távara, por depositar vuestra confianza en mí y a estar dispuestos a ayudarme en cualquier momento. A mis amigos, por haber hecho que todos aquellos días en la biblioteca mereciesen la pena. A Alejandra, por estar siempre a mi lado y ser el mejor regalo de la carrera. A los integrantes del departamento de LERM, Pablo, Patri, Antonio, José Ramón y en especial a Teresa. Gracias por haberme ayudado y aconsejado en todo lo que he necesitado, siempre con una sonrisa y haciéndome sentir como en casa. Gracias a todos. Manuel Mudarra Acebedo Septiembre 2021 ix Resumen Las ventajas que ofrecen actualmente los procesos de fabricación aditiva con materiales poliméricos son múltiples: una reducción del coste de fabricación, posibilidad de crear figuras complejas y un prototipado rápido, sin embargo, estos materiales suelen tener unas propiedades mecánicas deficientes. Para solucionar dicho problema pueden ser reforzados con fibras para crear materiales compuestos, mejorando así enormemente sus propiedades mecánicas y abriendo las puertas a numerosas aplicaciones. Este tipo de tecnología ya se comercializa por la empresa Markforged con su impresora de materiales compuestos de segunda generación Mark Two. En este trabajo se indagará en las posibilidades que ofrece esta impresora con sus mejoras generacionales, caracterizar ciertas propiedades de los materiales y aplicar esta tecnología a un proyecto de investigación. En dicho proyecto se ha estudiado el efecto escala en los materiales compuestos fabricados con la impresora Mark Two. xvii ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2-1. Optimización topológica de la unión de 5 tubos [5] 4 Figura 2-2: Estimación de los costes de producción de la fabricación aditiva frente a otros métodos de fabricación [6]. 5 Figura 2-3. Esquema del funcionamiento de FDM [2] 6 Figura 2-4. (a) Esquema del proceso de la distancia de impresión negativa, (b) imagen del proceso llevado a la práctica [10] 7 Figura 2-5. Esquema del funcionamiento del SLS [2] 7 Figura 2-6. Esquema representativo del LOM [2] 8 Figura 2-7. Esquema del funcionamiento de la SLA [2] 9 Figura 2-8. Esquema del funcionamiento del Injet Printing [2] 9 Figura 2-9. Álabes fabricados por Siemens mediante fabricación aditiva [12] 11 Figura 2-10: Pistones para el Porche 911 GT2 RS fabricados con tecnología de Fabricación Aditiva [13] 11 Figura 2-11. Impresora 3D de venta al particular 12 Figura 2-12. Prótesis fabricada mediante SLS 12 Figura 2-13. Impresión 3D de un muro en la universidad de Eidndhoven [5] 13 Figura 2-14. Fabricación Aditiva mediante FDM con el uso de fibras cortas [14] 14 Figura 2-15. Impresora 3D de materiales compuestos de fibra continua [14] 14 Figura 3-1. a) Tensiones en la interfase (z = ho), b) Variación de σxz en el espesor (y = b) [30] 13 Figura 4-1. Impresora Mark Two®imprimiendo una probeta 15 Figura 4-2. Pantalla de la impresora Mark Two® 15 Figura 4-3. Proceso de impresión de probetas de fibra de carbono en la impresora Mark One® [23] 16 Figura 4-4. Bobina de nylon en su caja pelícano 18 Figura 4-5. Bobina de Onyx en su caja pelícano 18 Figura 4-6. Bobina de 50 cm3 fibra de vidrio [29] 19 Figura 4-7. Bobina de 50 cm3 de fibra de carbono [29] 19 Figura 4-8. Bobina de 50 cm3 de Kevlar® [29] 20 Figura 4-9. Probeta diseñada en CATIA 21 Figura 4-10. Menú inicial de Eiger 22 Figura 4-11. Menú de impresoras de Eiger 23 Figura 4-12. Botón de importar de Eiger 23 Figura 4-13. Menú de edición de Eiger 24 Figura 4-14. Columna derecha del menú de edición 24 Figura 4-15. Menú de Part Settings General 25 Figura 4-16: Menú de Part Settings Settings 25 Figura 4-17: Menú de Part Settings Infill 26 Figura 4-18. Relleno Sólido [27] 27 Figura 4-19. Relleno triangular [27] 27 Figura 4-20. Relleno Hexagonal [27] 27 Figura 4-21. Menú de refuerzos 27 Figura 4-22. Pieza con Isotropic Fiber [28] 28 Figura 4-23. Pieza con refuerzo de All Walls [28] 28 Figura 4-24. Pieza con refuerzo de Outer Shell Only [28] 28 Figura 4-25. Pieza con refuerzo de Inner Shell Only [28] 28 Figura 4-26. Menú de Internal View de una probeta 29 Figura 4-27. Datos del menú de visión interna referentes a la pieza 29 Figura 4-28. Capa de fibra de carbono en el Internal view 30 Figura 4-29. Capa de Onyx en el internal view 30 Figura 4-30. Parámetros de impresión disponibles dentro del Internal View 30 Figura 4-31. Menú de impresión de Eiger 31 Figura 4-32. Parámetros para el posicionamiento de la pieza dentro de la cama de impresión 31 Figura 4-33. Probeta de estudio diseñada en CATIA 32 Figura 4-34. Probeta de una capa en Eiger 33 Figura 4-35. Probeta de dos capas en el internal view de Eiger 33 Figura 4-36. Probeta con un espesor de 0,575 mm en Eiger 34 Figura 4-37. Primera capa de fibra impresa en las 3 probetas de estudio 34 Figura 4-38. Micrómetro usado para medir el espesor de las probetas 34 Figura 4-39. Visión interna de la probeta con un ancho de 3,6 mm de ancho 35 Figura 4-40. Visión interna de la probeta con un ancho de 3,7 mm de ancho 35 Figura 4-41. Interior de la probeta de 3,7 mm donde se pueden ver los 3 hilos 35 Figura 4-42. Bobina de fibra de carbono al 50 % 36 Figura 5-1. Parámetros de impresión usados para la fabricación de las probetas 40 Figura 5-2. Probeta de fibra de carbono de tamaño grande en Eiger 41 Figura 5-3. Probetas de fibra de carbono recién impresas 43 Figura 5-4. Delaminación parcial de una probeta de fibra de carbono grande vista desde arriba 43 Figura 5-5. Delaminación parcial de una probeta de fibra de carbono grande vista desde el lateral 43 Figura 5-6. Almacenamiento de las probetas en una campana de secado 44 Figura 5-7. Impresión de las probetas de fibra de vidrio pequeñas 44 Figura 5-8. Decoloración de la capa superior en una probeta de fibra de vidrio mediana 45 Figura 5-9. Fallo de impresión durnte la impresión de probetas de vidrio de gran tamaño 45 Figura 5-10. Probeta grande de fibra de vidrio con brim 46 Figura 5-11. Deformaciones en la probeta nº 7 de fibra de vidrio grande 46 Figura 5-12. Probetas de fibra de vidrio impresas 47 Figura 5-13. Pie de rey 47 Figura 5-14. Reloj medidor 47 xix Figura 5-15. Panel de fibra de vidrio del que se van a extraer los tacos 49 Figura 5-16. Adhesivo bicomponente usado para pegar los tacos a las probetas 50 Figura 5-17. Pinzas usadas para agarrar los tacos a las probetas 50 Figura 5-18. Probetas de fibra de carbono con los tacos ya pegados 51 Figura 5-19. Extremo recortado de la grande nº 4, donde se puede apreciar el desnivel en los tacos. 51 Figura 5-20. Probetas de grandes de carbono con los tacos ya lijados 52 Figura 5-21. Lado afectado de las probetas de fibra de vidrio 52 Figura 5-22. Proceso de pegado de los tacos en las probetas de vidrio 53 Figura 5-23. Probetas de fibra de vidrio con los tacos pegados 53 Figura 5-24. Morzadas usadas para los ensayos 54 Figura 5-25. Máquina estática de ensayos Instron 4482 54 Figura 5-26. Galga 6/120 XY 31 54 Figura 5-27. Galga 3/120 LY41 55 Figura 5-28. Galga extensométrica 3/120 LY41 55 Figura 5-29. Extensómetro 2630-112 55 Figura 5-30. Gráfico de cómo se va a eliminar el Onyx numéricamente 56 Figura 5-31.Disposición de las galgas y las probetas para determinar la rigidez y resistencia del material [31] 57 Figura 5-32. Probeta de Onyx 58 Figura 5-33. Probeta de Onyx 58 Figura 5-34. Diagrama Tensión-Deformación del ensayo con Onyx 59 Figura 5-35. Probetas grandes de FC listas para el ensayo 60 Figura 5-36. Diagrama Tensión-Deformación de las probetas grandes de FC 61 Figura 5-37. Probetas de FC grandes una vez ensayadas 61 Figura 5-38. Detalle del fallo de la P1 grande de FC 62 Figura 5-39. Detalle del fallo de la P3 grande de FC 62 Figura 5-40. Probetas medianas de FC listas para el ensayo 62 Figura 5-41. Diagrama Tensión-Deformación de las probetas medianas de FC 64 Figura 5-42. Probetas de FC medianas una vez ensayadas 64 Figura 5-43. Probetas pequeñas de FC listas para el ensayo 65 Figura 5-44. Diagrama Tensión-Deformación de las probetas pequeñas de FC 66 Figura 5-45. Probetas de FC pequeñas una vez ensayadas 66 Figura 5-46. Probetas de FV listas para el ensayo de tracción 67 Figura 5-47. Diagrama Tensión-Deformación de las probetas Grandes de FV 68 Figura 5-48. Ensayo de tracción de una probeta grande de FV 69 Figura 5-49. Probetas de FV grandes una vez ensayadas 69 Figura 5-50. Diagrama Tensión-Deformación de las probetas medianas de FV 70 Figura 5-51. Probetas medianas de FV una vez ensayadas 71 Figura 5-52. Diagrama Tensión-Deformación de las probetas pequeñas de FV 72 Figura 5-53. Probetas pequeñas de FV una vez ensayadas 73 Figura 5-54. Representación logarítmica de la resistencia de las probetas de FC frente a su volumen 74 Figura 5-55. Representación logarítmica de la resistencia de las probetas de FV frente a su volumen 75 Figura 5-56. Representación logarítmica de la resistencia de las probetas mediana y grande de FV frente a su volumen 76 Figura 6-1. Fallo de la impresora al separarse el cabezal el tubo del cabezal de extrusión. 77 Figura 6-2. Desprendimiento del tubo del cabezal de impresión 77 Figura 6-3. Hilos y defectos depositados por la máquina a causa del plástico mojado 78 Figura 6-4. Delaminaciones de la capa de Onyx en una probeta de fibra de vidrio 79 Figura 6-5. Error grave de impresión generado por un efecto dominó 79 Figura 6-6. Detalle de la deformación residual presente en la probeta grande de vidrio nº 7 80 Figura 7-1. Ejemplo de una posible serie de ensayos futuros [17] 83 xxi Notación AM FMD SLA SLS SLM EBM SHS 3DP LOM DED E11 Aditive Manufacturing (Fabricación Aditiva) Fused Deposition Modelling (Modelado por Deposición Fundida) Stereolithography (Estereolitografía) Selective Laser Sintering (Sinterización Selectiva por Láser) Selective Laser Melting (Fundición Selectiva por Láser) Electron Beam Melting (Fundición Mediante Haz de Electrones) Selective Heat Sintering (Sinterización Selectiva por Calor) Three-dimensional Printing (Impresión Tridimensional) Laminated Object Manufacturing (Laminado en Capas) Direct Energy Deposition (Deposición Directa de Energía) Módulo de rigidez en el eje lognitudinal a la fibra Xt Resistencia a la tracción en el eje longitudinal a la fibra Yt E FC FV P1 m Resistencia a la compresión en el eje longitudinal a la fibra Módulo de Young Fibras de carbono Fibra de vidrio Probeta 1 Módulo de Weibull Índice de Figuras 22 Introducción 1 1 Capítulo 1: INTRODUCCIÓN Actualmente, en la inmensa mayoría de industrias se trabaja con una combinación de procesos de fabricación conformativos o sustractivos. En los procesos conformativos se fuerza al material a adaptar su forma a moldes para conseguir la geometría deseada. En los procesos sustractivos se parte del material en masa y se elimina parte de este mediante diferentes medios como el mecanizado o lijado para obtener el resultado deseado. Sin embargo, en las últimas décadas otro método de fabricación está tomando más y más relevancia en numerosos sectores: la fabricación aditiva. Con este método se fabrica una pieza partiendo de un archivo de CAD que luego es fabricado en una impresora 3D sin ninguna pérdida de material. Gracias a sus numerosas ventajas como: un prototipado rápido, la capacidad de producir estructuras muy complejas y reducción de maquinaria necesaria, esta tecnología cada vez gana más terreno dentro de la industria. Una industria basada casi al 100 % en diseños 3D, que facilita mucho el proceso de fabricación aditiva. Este tipo de tecnología permite, en ciertos casos, a una sola persona con una impresora fabricar algo que hace apenas 20 años hubiese necesitado un grupo de ingenieros, operarios y un gran número de máquinas. Actualmente incluso unas de las principales desventajas de este método, su mala escalabilidad, se está mejorando considerablemente. Esto es gracias a la fabricación de camas de impresión rotativas que son capaces de imprimir 24 horas a día sin la necesidad de intervención humana a la par del desarrollo de máquinas más rápidas y precisas. En cuanto a la fabricación de materiales compuestos reforzados con fibras, son necesarios una serie de procesos que encarecen estos materiales considerablemente. En primer lugar, se parte de una serie de láminas de material preimpregnado con resina que hay que cortar a la medida concreta, perdiendo cierta cantidad de material en el proceso. A continuación, hay que fabricar un molde para esta pieza que, si se van a realizar un número limitado de estas, encarece enormemente el proceso. Una vez se tiene el molde hay que apilar el material e introducirlo junto a este en una bolsa de vacío. Hecho esto hay que introducir el molde con el material en un autoclave tan grande como la pieza para curar la resina y eliminar huecos en el material. Con un proceso de fabricación aditiva no solo no son necesarios los moldes ni recortar el material, además se prescinde el autoclave al usar polímeros termoplásticos. Estos polímeros no necesitan un proceso de curado y hacen posible el reciclado de los materiales compuestos, mejorando así las perspectivas de un futuro sostenible para este tipo de materiales. Por ello una tecnología avanzada de fabricación aditiva con materiales compuestos podría reducir considerablemente los costes de fabricación y abrir las puertas a muchas otras industrias a la utilización de este tipo de materiales. 1.1 Objetivo del Trabajo Fin de Grado El objetivo de este proyecto de fin de grado es la puesta a punto y caracterización de probetas de material compuesto fabricadas con la impresora Mark Two®, así como la determinación del efecto escala en dichas probetas. Para ello se van a diseñar e imprimir una serie de probetas con 3 tamaños distintos de fibra de carbono y de fibra de vidrio. Una vez fabricadas se realizarán ensayos de tracción para obtener su rigidez, resistencia y coeficiente de Poisson. Concluidos los ensayos se estudiarán los datos obtenidos para comprobar la existencia o no de un efecto escala en los materiales compuestos fabricados con la impresora Mark Two®. Durante la realización de este proyecto se va a intentar hacer una descripción exhaustiva de todo el proceso, dejando así constancia del porqué de los resultados obtenidos y facilitando la continuación del camino de investigación alrededor de esta impresora 3D. Introducción 2 1.1 Estructura del documento Este documento se va a separar en siete capítulos diferenciados cuyos contenidos son: • Capítulo 2: Tecnologías de fabricación aditiva. En este capítulo se va a describir en qué consiste la fabricación aditiva, sus ventajas e inconvenientes y los distintos métodos existentes. • Capítulo 3: Efecto escala. En este capítulo se va a describir en qué consiste el efecto escala y sus distintos impactos en los materiales compuestos. • Capítulo 4: Impresora Mark Two®. En este capítulo se va a mostar el funcionamiento y características de la impresora 3D Mark Two®. Además, se dará una descripción detallada de los aspectos más importantes del programa Eiger junto a ciertos ensayos diseñados para comprobar su correcto funcionamiento. • Capítulo 5: Diseño y realización de ensayos. En este capítulo se verá el proceso del diseño de los ensayos, su realización y los resultados de estos. • Capítulo 6: Recomendaciones y fallos de impresión. En este capitulo se mostrarán algunos fallos ocurridos durante la realización del proyecto. • Capítulo 7: Conclusiones y desarrollos futuros. En este capítulo se expondrán las conclusiones obtenidas durante el desarrollo del proyecto, así como las posibles nuevas investigaciones relacionadas con este. Fabricación aditiva 3 3 Capítulo 2: FABRICACIÓN ADITIVA 2.1 Introducción La fabricación Aditiva es un método de fabricación basado en la impresión capa a capa de la pieza a fabricar, pudiendo conseguir geometrías complejas partiendo de un modelo de CAD. Ya en 1981 Hideo Kodama emitió una patente en Japón para una proceso de curado de resina mediante rayo láser, pero esta patente nunca fue aprobada [1]. Finalmente, esta tecnología fue desarrollada por primera vez gracias a Charles Hull en 1986 mediante el proceso llamado estereolitografía (SLA). Este fue el primer método del llamado prototipado rápido. Dicho método permitía la creación de prototipos de una manera más fácil, rápida y económica que las opciones disponibles en ese momento [2]. Tras la Estereolitografía surgieron numerosos métodos de Fabricación Aditiva como la Sinterización Selectiva por Láser, el Modelado por Deposición Fundida y el Laminado por Capas. El desarrollo de estos métodos, junto el abaratamiento tanto de las impresoras como del material han expandido enormemente el uso de este tipo de tecnología a todo tipo de industrias, laboratorios, escuelas y hogares. 2.2 Ventajas e inconvenientes de la fabricación aditiva Las ventajas de la fabricación aditiva la hacen muy interesate para múltiples aplicaciones, pero es importante conocer sus limitaciones actuales y en qué momentos está justificado o no su uso [2] [3] [4]. Ventajas • Reducción de los tiempos de producción: la facilidad con la que se puede prototipar una pieza y fabricarla también implica que, para la mayoría de los casos, diseñar y fabricar un producto se puede convertir en tarea de semanas en vez de meses. Un ejemplo claro y reciente de esto han sido los protectores faciales que se usaron al comienzo de la pandemia de COVID-19. En cuestión de semanas se fabricaron un gran número de estos gracias a las impresoras 3D particulares e industriales, superando por meses el tiempo de respuesta a las piezas de moldes de inyección de plástico con los que se suelen fabricar. • Reducción de coste para volúmenes bajos de producción: el coste de las piezas para un volumen bajo de producción se ve claramente reducido gracias al uso de la tecnología de fabricación aditiva. Existen numerosos motivos de esta reducción. Entre ellos encontramos la reducción del tiempo de diseño, prototipado y fabricación. Otro factor muy importante es que este tipo de tecnología no necesita ningún tipo de utillaje y requiere pocas consideraciones para la fabricación de la pieza. Además, a diferencia de otros procesos de fabricación, como los CNC, el material se aprovecha casi al 100 % y no es necesario de partir de planchas o tochos, en los que se elimina una gran parte del material. Fabricación aditiva 10 6. Deposición Directa de Energía (DED) La Deposición directa de Energía (DED) o Deposición Directa de Metal (DMD) entre otras denominaciones ha sido tradicionalmente usada para la fabricación de superaleaciones de níquel de altas prestaciones. Este método consiste en la adición y fundición simultánea mediante un láser de alta potencia en una zona muy concreta del material añadido, ya sea un filamento o polvo. Este método puede usarse incluso para reparar o modificar piezas ya fabricadas, incluidas aquellas que no se han fabricado mediante DED. Además, con este método de fabricación aditiva se pueden hacer uso de la fabricación sustractiva cómo tornos o fresadoras para mejorar los acabados. En cuanto a los materiales que puede hacer uso esta tecnología están: aluminio, acero, titanio y superaleaciones de níquel. Este método puede reducir los costes de reparación y fabricación de piezas a la par de tener unas propiedades mecánicas excelentes a parte de una microestructura y composición controladas en el producto final. A continuación, en la Tabla 1 se muestra un resumen de las principales tecnologías de Fabricación Aditiva Tabla 1. Resumen de las principales tecnologías de fabricación aditiva y sus características Método Materiales Aplicaciones Ventajas Inconvenientes FDM Filamentos de polímeros y polímeros reforzados con fibras Prototipado rápido Juguetes Piezas de materiales compuestos Bajo coste Veloz Simplicidad Propiedades mecánicas pobres para los polímeros Materiales muy limitados Fusión de polvo Polvos finos de metales, aleaciones y ciertos polímeros (SLS y SLM), polímeros y cerámicas (3DP) Biomedicina, electrónicas, aeroespaciales Estructuras ligeras Buena resolución Alta calidad de impresión Caro Proceso lento Acabado a capas Contour Crafting e impresión con tinta Cerámicas, hormigón y cemento Concentración de partículas en un líquido Edificios Grandes estructuras Biomedicina Buena resolución Alta calidad de impresión Resolución SLA Resina con monómeros fotoactivos Polímeros con partículas cerámicas Prototipado Biomedicina Buena resolución Calidad de impresión Materiales muy limitados Caro Impresión lenta DED Metales y aleaciones en forma de hilo o polvo Cerámicas y polímeros Industria aeroespacial Reparaciones Reequipamiento, revisiones y revestimientos Tiempos y costes de fabricación reducidos Propiedades mecánicas excelentes Microestructura controlada Poca precisión Acabado pobre Necesidad de una estructura de soporte densa LOM Compuestos con matriz polimérica Cerámicas Papel Rollos con insertos de metal y chapas de metal Fabricación de papel Industrias de fundición Electrónica Cantidad de maquinaria y tiempos de producción reducidos Gran cantidad de materiales disponibles a un coste bajo Excelente para grandes estructuras o piezas Acabados interiores y precisión dimensional pobre Muy limitada para la fabricación de estructura complejas 11 Puesta a punto y caracterización de probetas de material compuesto fabricadas con un sistema de impresión 3D 2.4 Aplicaciones de la Fabricación Aditiva Actualmente cada vez más industrias están invirtiendo y decantándose por la fabricación aditiva gracias a las múltiples ventajas que esta ofrece. Estas industrias suelen ser aquellas dónde el número de piezas que se fabrican son limitadas y con formas complejas. Algunos de los ejemplos más importantes son: • Industria Aeroespacial Actualmente la industria aeroespacial supone alrededor del 18,2 % del mercado total de la fabricación aditiva, y se espera que crezca en los próximos años [2]. Esto es principalmente por las características tan específicas del sector aeroespacial: geometrías complejas, materiales difíciles de mecanizar, su facilidad para adaptarse a modificaciones entre lotes y unas excelentes propiedades mecánicas específicas. Un ejemplo de este tipo de piezas son los álabes como los de la Figura 2-9 cuya forma interior es muy compleja y se hace mucho más sencillos fabricarlos con AM [12]. • Industria Automovilística La industria automovilística se ha convertido en uno de los sectores más interesados en el desarrollo de la fabricación aditiva en los últimos años. El sector automovilístico hace uso de la fabricación aditiva para el diseño y prototipado de las piezas de los automóviles de producción, reduciendo considerablemente los costes de desarrollo. En cuanto a los automóviles de altas prestaciones y de competición actualmente se usan aleaciones de metales ligeros cómo las de aluminio y titanio para fabricar piezas complejas como los pistones de la Figura 2-10 [13], bloques motor y suspensiones, reduciendo así su peso. Figura 2-10: Pistones para el Porche 911 GT2 RS fabricados con tecnología de Fabricación Aditiva [13] Figura 2-9. Álabes fabricados por Siemens mediante fabricación aditiva [12] Fabricación aditiva 12 • Autoconsumo Gracias a la reducción drástica de los precios de las impresoras 3D de polímeros como el PLA uso se ha extendido en gran medida por todo el mundo. Este tipo de impresoras 3D como las de la Figura 2-11 son enormemente útiles tanto en proyectos a pequeña escala para acelelar su realización y reducir los costes, como una herramienta de fabricación al alcance de casi cualquiera. La impresión con FDM hace posible la fabricación casera de numerosas piezas que con otro método de fabricación sería imposible de realizar. • Sector Médico Este sector representa el 11 % del mercado de la Fabricación Aditiva, habiendo crecido desde 6 400 millones de dólares en 2016 hasta los 22 000 millones de dólares en el año 2020 [2]. Esta importancia es debida a la gran adecuación de esta tecnología de fabricación a las necesidades del sector. La gran complejidad de estas piezas, cómo implantes de titanio, las hace imposibles de fabricar mediante los métodos comúnmente usados en otras industrias. Además, esta tecnología permite una customización y adecuación específica para el paciente, sin que ello suponga un gran sobrecoste. En la Figura 2-12 se muestra un ejemplo de una prótesis fabricada con esta tecnología. • Ingeniería civil y arquitectura [5] Actualmente este sector solo representa el 3% de toda la industria de Fabricación Aditiva. Aun así, hay que tener en cuenta que no fue hasta 2014 cuando se empezaron a fabricar las primeras estructuras con una impresora 3D. Esta tecnología permite realizar estructuras mucho más complejas con un coste similar a los métodos de fabricación usados en la actualidad, y prescinde de la intensa mano de obra que este sector requiere actualmente. Los principales inconvenientes de esta tecnología es la maquinaria necesaria para fabricar una casa o un edificio residencial de un tamaño considerable, al tener que usar materiales más resistentes mecánicamente y al necesitar una impresora de gran tamaño. Un ejemplo de este tipo de tecnología lo tenemos en la Figura 2-13. Figura 2-12. Prótesis fabricada mediante SLS Figura 2-11. Impresora 3D de venta al particular 13 Puesta a punto y caracterización de probetas de material compuesto fabricadas con un sistema de impresión 3D 2.5 Fabricación aditiva con materiales compuestos [14] La impresión 3D mediante el Modelado por Deposición Fundida, cómo ya se ha visto, es el método de fabricación aditiva más extendido gracias a su facilidad de uso y bajo coste. Sin embargo, las propiedades mecánicas de los polímeros, aunque han mejorado considerablemente durante los últimos años, sigue siendo muy pobres, principalmente si se comparan con los materiales usados en la industria cómo el acero y el aluminio para la fabricación de piezas y estructuras. Sin embargo, estos plásticos se pueden reforzar con fibras ya sean de carbono, vidrio, Kevlar® entre otras, las cuales mejoran enormemente sus cualidades sin modificar sensiblemente el método de fabricación. Gracias a su gran versatilidad y una resistencia especifica de estos materiales superiores al aluminio y al acero hace que sean en la mayoría de las ocasiones, en principio, un excelente sustituto para estos. Existen dos formas principales de impresión de materiales compuestos: La adición de partículas o fibras cortas y la adición de fibra continua. • Fibras cortas y partículas Estos refuerzos ya sean cerámicos o metálicos pueden suponer un aumento de resistencia mecánica considerable respecto al material base, sin necesidad de modificar significativamente el modo de fabricación. Lo único que sería necesario cambiar son los parámetros típicos de una impresora 3D: velocidad y temperatura de extrusión. Sin embargo, sus propiedades quedan lejos de las obtenidas con materiales compuestos de fibra continua. Este tipo de materiales pueden usarse en numerosos métodos de fabricación como el FDM, SLA, 3DP, LOM y Contour Crafting. Un ejemplo de la utilización de este tipo de materiales con la tecnología de FDM se puede observar en la Figura 2-14. Actualmente ya se comercializa con cierto éxito numerosos materiales para impresión 3D reforzado con fibras cortas y partículas. Entre ellas se encuentran las de vidrio, carbono y en menor medida fibras de aramida. Un buen ejemplo es el OnyxTM. Este material está compuesto de una matriz de nailon con partículas de carbono. Gracias a estas partículas se mejora considerablemente las propiedades mecánicas del material, aumentando en un 48 % el módulo de rigidez [15] . Figura 2-13. Impresión 3D de un muro en la universidad de Eidndhoven [5] Fabricación aditiva 14 Figura 2-14. Fabricación Aditiva mediante FDM con el uso de fibras cortas [14] • Fibras Continuas: Con este tipo de refuerzo se obtienen unas propiedades mecánicas muy superiores a las de las fibras cortas o partículas, llegando a superar en ciertos aspectos a las aleaciones de aluminio. Este tipo de material se puede fabricar con dos métodos principalmente, LOM y FMD. Para el método de LOM es muy fácil adaptar la tecnología, pero una vez fabricado el laminado es necesario el uso de un autoclave para el curado de la resina y una intervención mayor de personal. Con esta tecnología las propiedades mecánicas obtenidas son idénticas a las de los laminados actualmente usados en la industria. Otro método de fabricación, es el FMD. En este método se usan termoplásticos como matriz para que puedan ser extruidos por el cabezal de la impresora 3D. Aunque las propiedades de estos compuestos puedan ser inferiores a las producidas por LOM, la intervención humana se reduce considerablemente y se simplifica el proceso de fabricación. Para la impresión con materiales compuestos de fibra continua se usan 2 técnicas: • El material ya tiene el polímero y se van intercambiando dos cabezales durante la impresión, según se vaya imprimiendo sólo el polímero o la fibra impreganada con el polímero. Este método es el que usa la impresora Mark Two®, objeto de estudio, para imprimir las piezas. • La fibra no tiene el plástico y se impregna de este en el cabezal de la impresora como el de la Figura 2-15. Este método corre más riesgo de introducir poros en el material y es necesario controlar muy de cerca la mezcla. Sin embargo, solo necesita una boquilla, y al ser fibra sin impregnar hace que sea más barata por la posibilidad de comprar el material a compañías de material no prioritario. Figura 2-15. Impresora 3D de materiales compuestos de fibra continua [14] Efecto Escala 11 11 Capítulo 3: EFECTO ESCALA 3.1 Importancia del efecto escala Para llevar a cabo la caracterización de un material habitualmente se realizan ensayos sobre pequeñas probetas, para luego extrapolar sus propiedades al material en masa. Este proceso se realiza en todo tipo de materiales desde aceros, plásticos, materiales compuestos, etc. Cada uno con ciertas consideraciones aplicadas, por lo que habitualmente se supone que la resistencia de estos materiales no depende del tamaño de la pieza. De esta manera se asume que, aunque a escalas muy pequeñas la estructura del material no sea homogénea, a medida que crecen las escalas este sí se comporta como tal y las propiedades se homogenizan y se obtienen propiedades medias absolutas. Este modelo es válido para ciertas propiedades del material tanto físicas como mecánicas: módulo de elasticidad, densidad, conductividad eléctrica, etc. Esto podría llevar a pensar que este modelo es válido para todas las propiedades del material. Sin embargo, la evidencia experimental apunta a que este modelo de comportamiento no se ajusta a la realidad en cuanto a la resistencia se refiere. Los fallos en los materiales tienden a iniciarse en efectos dentro del material base, que se extienden al resto de la estructura antes de producirse el fallo. Por lo que, la resistencia de un material realmente es función de los valores extremos de la parte más débil. Un ejemplo muy claro es el de una cadena. Si una cadena está formada por una serie de eslabones extremadamente rígidos y resistentes, y uno débil y flexible, al realizar los ensayos de rigidez se observa una cadena relativamente rígida, siendo esta rigidez una media de todos los eslabones. En cambio, si se buscase la resistencia de esta cadena, aun esperando una gran resistencia por la calidad de la inmensa mayoría de eslabones, el resultado será muy malo, sólo consiguiendo la resistencia del eslabón más débil. Una experiencia muy similar del efecto escala ya la realizó Leonardo Da Vinci en el siglo XVI, comprobando que la resistencia de un cable de hierro disminuía al aumentar la longitud de este [16]. Desde esta observación numerosos artículos se han publicado sobre este tema. Conociendo este resultado se hace muy importante el estudio y consideración de este fenómeno para conocer las propiedades reales del material al que se le está dando uso. Evitando así errores de diseño que pudiesen resultar catastróficos en estructuras diseñadas con unas propiedades sobreestimadas. 3.2 Efecto escala en materiales compuestos de fibra continua [17] Desde hace años la industria aeronáutica está intentando minimizar los costes de ensayo para la introducción de un nuevo material, reduciendo el número de probetas y de piezas intermedias que se ensayan. Sin embargo, para poder reducir aún más el número de ensayos es necesario conocer mejor el comportamiento de los materiales compuestos. Reduciendo así la pirámide de ensayos para materiales compuestos, infiriendo más propiedades de las probetas más pequeñas y para ello es necesario cuantificar el efecto escala de los materiales compuestos. Este comportamiento en los materiales compuestos es especialmente complejo, ya que los laminados son materiales anisótropos y distintos unos de otros en la mayoría de los casos, lo que complica enormemente el estudio. Además, las excelentes propiedades de las fibras de carbono y de vidrio vienen derivadas de este mismo fenómeno. Los materiales en masa de los que derivan estas fibras tienen propiedades mecánicas considerablemente inferiores. Gracias a este mismo fenómeno se podría esperar que, en materiales compuestos unidireccionales ensayados en la misma dirección de las fibras el efecto escala fuese nulo. Sin embargo, cómo se hace evidente por la extensa bibliografía este comportamiento esperado difiere del observado [17] [18] [19] [20]. Existen numerosos posibles causantes de este comportamiento en los materiales compuestos: Efecto Escala 12 12 1. Defectos y consideraciones estadísticas En primer lugar, hay que recordar que la resistencia de un material uniformemente cargado viene determinada por su parte más débil, siendo esta habitualmente el defecto más grande presente en el material. Estos defectos por lo general tienden a estar aleatoriamente distribuidos por el material, por lo tanto, cabe esperar que, a mayor volumen del material, mayor es la probabilidad de que aparezca un defecto grande. Estos defectos afectan gravemente al material, ya que su presencia afecta a la resistencia de todo el material. Una analogía muy ilustrativa de nuevo es la resistencia de una cadena. A medida que se añaden eslabones la probabilidad de que uno de ellos tenga alguna imperfección o no se haya fabricado correctamente se hace mayor, por lo que aumenta la probabilidad de fallo del conjunto completo. Este comportamiento fue estudiado por Weibull. Este propuso una distribución estadística muy usada en la actualidad para predecir la resistencia de los materiales frágiles según su volumen: 𝑃(𝑠)=𝑒−𝑉(𝜎 𝜎0)𝑚 Siendo P la probabilidad que el material de estudio resista una tensión 𝜎 con un volumen V. En la ecuación anterior aparecen dos constantes, 𝜎0 que representa una resistencia característica del material por unidad volumétrica y m denominado Módulo de Weibull. Esta constante indica variabilidad de la resistencia del material, para valores bajos corresponde con una alta variabilidad y para valores altos una baja variabilidad entre especímenes. Para extraer este módulo se pueden ensayar 2 volúmenes 𝑉1 y 𝑉2 los cuales fallarán a una tensión 𝜎1 y 𝜎2 respectivamente. 𝜎1 𝜎2 = (𝑉1 𝑉2 )−1 𝑚 ⁄ Esta ecuación es válida siempre y cuando la geometría se escale de un especimen a otro y la distribución de tensiones es idéntica. La teoría de Webull estima que existe una relación entre la variabilidad entre especímenes y el efecto escala en este material, a mayor variabilidad, mayor es el efecto escala. De hecho, es posible extraer el módulo de Weibull mediante procedimientos estadísticos de un solo tamaño de probetas. Para extraer el módulo de Weibull de ensayos a diferentes escalas basta con representar los resultados en una escala logarítmica y deberían generar una línea recta con una pendiente de -1/m. Estas predicciones permanecen válidas mientras el material de estudio sea frágil y el modo de fallo se mantenga constante entre los ensayos. En caso de que no se tenga en cuenta esto, los ensayos pueden arrojar diferentes valores para el módulo de Weibull para distintos tamaños. Para los materiales frágiles el fallo se suele originar en un defecto, sin embargo, en materiales cuasifrágiles el fallo puede aparecer por un cúmulo de defectos más pequeños que al unirse forman un defecto de un tamaño efectivo mayor. Este puede provocar un fallo a un nivel de carga menor al de cada uno de los defectos individualmente. Para materiales dúctiles sin embargo el efecto del tamaño debería de ser despreciable ya que la pérdida de resistencia debida al defecto presente en el material se debería distribuir uniformemente mediante la deformación plástica, anulando así su efecto. Sin embargo, incluso para materiales dúctiles como la resina epoxi, al aumentar el tamaño del espécimen de ensayo se observan variaciones. Aun manteniéndose la tensión de rotura independientemente del tamaño, la deformación en rotura disminuye rápidamente con el tamaño [21]. 13 Puesta a punto y caracterización de probetas de material compuesto fabricadas con un sistema de impresión 3D 2. Microestructura del material La microestructura de los materiales compuestos también juega un papel vital en el efecto escala de estos. La disminución de resistencia de las fibras como las de carbono o vidrio a medida que se aumenta el diámetro es un hecho bien documentado, ya descrito por Griffith en 1920 [22]. Además, la reducción de resistencia también se ve reducida, como es de esperar, a medida que aumenta la longitud de las fibras. En cuanto a la resina que actúa como matriz en los materiales compuestos también es susceptible del efecto escala, originándose daños en defectos inherentes a la estructura polimérica de la resina una vez curada. Los materiales compuestos también pueden tener fallos en su microestructura a causa de errores en la fabricación de los preinpregnados o la infiltración de la matriz en la fibra. Algunos de estos fallos pueden ser: cúmulos locales de fibras demasiado juntas, zonas pobres de fibra, huecos, interfases delaminadas entre la fibra y la matriz fibras rotas o mal alineadas. Este tipo de fallos también pueden aparecer al nivel del laminado. Por ejemplo, pueden aparecer grietas transversales causadas por las tensiones residuales dentro del laminado, que a tensiones mucho menores de lo esperado pueden causar delaminaciones. La generación de estas grietas depende del espesor, generando un efecto escala en este tipo de laminados. Otro tipo de errores presentes en los laminados son las microondulaciones, que pueden acelerar significativamente el fallo de estos laminados a compresión. A esta escala también pueden aparecer regiones ricas o pobres en fibra durante el curado que a su vez también pueden provocar el fallo prematuro del laminado. Para las láminas de fibras dispuestas en una matriz, la propia estructura ya tiene ondulaciones intrínsecas que, aparte de reducir su resistencia a la compresión, pueden atrapar burbujas durante el proceso de fabricación o ser el punto de inicio de grietas. En cuanto a las fibras tejidas, estas tienen defectos por el propio método de fabricación. Estos efectos pueden dañar las fibras, generar ondulaciones o generar puntos de iniciación para las grietas. 3. Extremos libres En los laminados con bordes libres aparecen tensiones interlaminares muy altas que pueden causar el fallo del laminado. Este fenómeno estudiado por Pipes y Pagano [23] mediante el método de las diferencias finitas arrojó que este fenómeno no solo depende de las orientaciones de los laminados, sino también del espesor de estos. En la Figura 3-1 se muestra la variación de dichas tensiones en el espesor del laminado. Las tensiones generadas en los extremos pueden causar fallos a causa de los extremos libres, fallos que pueden ser difíciles de distinguir de aquellos generados por un aumento del volumen ensayado. Por ejemplo, si se realiza una serie de ensayos dónde en cada probeta se aumenta las 3 dimensiones por igual la reducción puede atribuirse a un incremento del volumen, aunque sea principalmente causado por el incremento del espesor del laminado. Otro efecto acusado a los bordes libres son las delaminaciones o roturas iniciadas en el daño generado durante el corte del laminado. Este efecto puede aparecer incluso en laminados unidireccionales, cuando sus fibras no están perfectamente alineadas. Figura 3-1. a) Tensiones en la interfase (z = ho), b) Variación de 𝜎𝑥𝑧 en el espesor (y = b) [30] Efecto Escala 14 14 4. Gradiente de tensiones En algunos ensayos el campo de tensiones no es constante, un ejemplo de los más usados es el ensayo de flexión. En este tipo de ensayos los resultados ofrecen una resistencia mayor a los equivalentes de tracción y compresión. Esto lleva a cuestionar si este efecto es a causa de un efecto escala, al ser mucho menor el volumen cargado, o si es a causa de un gradiente no uniforme de tensiones dentro de la probeta. La teoría de Weibull indica que la resistencia en el ensayo de flexión debía ser mayor que el de tracción. Para materiales frágiles estos resultados se adaptan a la teoría, sin embargo, para materiales compuestos es posible que los efectos del gradiente de tensiones sean dominantes frente al efecto escala en los ensayos de flexión. En compresión, el efecto del gradiente de tensiones puede ser vital una vez aparezca micro pandeos en la zona con mayor compresión, reduciendo la compresión máxima que es capaz de soportar una probeta. 5. Fabricación y preparación de los especímenes La incertidumbre introducida durante la fabricación y acabado de probetas y especímenes a ensayar es un factor fundamental a tener en cuenta. Un ejemplo de este aspecto es el aumento de la resistencia observada si se pulen los bordes de los laminados a ensayar. Otro factor a tener en cuenta es que, en los casos que se necesita un mecanizado, la diferencia del área mecanizada entre una probeta y otra probablemente será la causante de la aparición de un efecto escala entre ellas. Aunque el proceso de fabricación sea idéntico entre una probeta y otra, pueden aparecer efectos de escala inherentes al proceso de fabricación. Por ejemplo, diferentes ratios de volumen y área pueden afectar a la absorción de agua, desplazamientos de vacíos y burbujas de aire dentro del material. Otro problema que surge de la diferencia entre el ratio área/volumen es su influencia en los ciclos de curado. A medida que se aumenta el volumen del laminado aparecen gradientes de temperaturas mayores y durante más tiempo, lo que puede afectar significativamente en el grado de curado entre un laminado y otro. 6. Consideraciones en los ensayos Hay una serie de consideraciones vitales a la hora de realizar ensayos para observar efectos de escala en un material o configuración. Primero, a la hora de medir las deformaciones es de vital importancia que, en caso de usar galgas extensométricas, han de tener unas dimensiones considerablemente superiores al tamaño de la microestructura interior. Por ejemplo, hay algunos tipos de fibras de carbono tejidas con un tamaño de celda de hasta 25 mm, lo que puede falsear los resultados si no se usa la galga correcta. Otro error similar que se puede dar en probetas pequeñas es medir las deformaciones muy cerca de los puntos de carga, lo que una vez más arrojaría valores no representativos de las deformaciones de esta probeta. En los ensayos, aun usando el mismo método para las distintas probetas, puede aparecer un efecto escala que no tenga ninguna relación con el volumen. Por ejemplo, los especímenes más gruesos pueden dar resistencias menores por el aumento del concentrador de tensiones en los externos de los tacos. Al tener la misma superficie y mayor espesor, la carga que se transmite por los tacos es mayor, aumentando así el concentrador de tensiones en los extremos. Otro aspecto muy a tener en cuenta son las deficiencias en el método de ensayo. A causa de este tipo de fallos se podrían observar o denegar presuntos efectos de escala por errores en el método de ensayo. Algunos ejemplos de estos son: la mala alineación de las probetas más pequeñas, modos fallos no deseables en las probetas, mal agarre de las mordazas etc. Por ello se hace vital escalar toda la geometría de la probeta a ensayar, desde el material compuesto hasta los tacos y utillaje. 15 Puesta a punto y caracterización de probetas de material compuesto fabricadas con un sistema de impresión 3D Capítulo 4: IMPRESORA MARK 𝐓𝐰𝐨® 4.1 Funcionamiento de la impresora Mark 𝐓𝐰𝐨® La impresora de fabricación aditiva Mark Two ® fabricada por la empresa estadounidense Markforged® surge como una sucesora natural a la impresora Mark One® frabricada por esta misma empresa. Esta impresora es capaz de imprimir materiales compuestos de fibra continua gracias a sus 2 cabezales de extrusión, uno para el plástico y otro para el filamento con fibra continua. La impresión de una probeta en esta impresora se puede observar en la Figura 4-1. Antes de hacer uso de la impresora se hace imperativo leer el manual dado por la empresa. En él se enseña con detalle cómo hacer un buen uso de la impresora, desde el encendido y sus partes más importantes hasta cómo hacer una calibración en profundidad de esta [24]. Además, a medida que se van sucediendo los procesos más comunes en la impresora, esta va indicando en su pantalla que hay que hacer en cada momento, facilitando enormemente la mayoría de las operaciones. Esta pantalla se puede ver en la Figura 4-2. También hay que destacar que la empresa Markforged® dispone de un servicio de atención al cliente para cualquier duda o error que se pudiese dar durante el uso de la impresora. Figura 4-1. Impresora Mark Two®imprimiendo una probeta Figura 4-2. Pantalla de la impresora Mark Two® 22 22 4.4.2 Impresión con Eiger Para procesar los archivos 3D e imprimir en la impresora Mark Two® de la empresa Markforged® dispone del programa on-line Eiger. Este programa es ofrecido por parte de la empresa de manera gratuita, con un usuario y contraseña para poder hacer uso de la impresora [27]. 4.4.2.1 Menús iniciales Una vez se inicia sesión se verá la siguiente pantalla de la Figura 4-10. En ella se pueden ver las carpetas con las piezas ya diseñadas dentro del programa. Desde este menú de inicio podemos acceder a la mayoría de las opciones. A continuación, se va a hacer un repaso de las opciones dentro de los menús más importantes durante la utilización de la impresora Mark Two® Comenzando por arriba en el centro podemos ver Library, este es el menú que se puede ver en la Figura 4-10, donde aparecen todas las carpetas con las piezas que se han diseñado. Justo a la derecha se encuentra Printers, en la Figura 4-11 se puede ver este menú. Desde este menú es posible controlar todas las impresoras de MarkForged asociadas a la cuenta de Eiger. Algunas de los datos que se muestran son: el estado actual de la impresora, la cola de impresión y la opción de alterarla, así como las versiones de software de la impresora. Cabe destacar que para poder hacer un uso pleno de estas funcionalidades es necesario conectar la impresora a internet, ya sea mediante Wifi o ethernet. Figura 4-10. Menú inicial de Eiger 23 Puesta a punto y caracterización de probetas de material compuesto fabricadas con un sistema de impresión 3D Más a la derecha se encuentra Print Jobs, en este apartado se encuentras todas las piezas y modificaciones que se han realizado de estas en el usuario actual. Estas se pueden ordenar por material, si se ha impreso finalmente, la impresora, etc. Markforged® también dispone de un pequeño manual en el cual se explican algunas ideas de diseño y el comportamiento general de la impresora ante piezas de material compuesto. Se recomienda encarecidamente su lectura antes de comenzar a usar el programa para evitar errores no deseados y facilitar la iniciación en la impresión [28]. 4.4.2.2 Proceso de configuración: Part View Cuando se haya diseñado la pieza a imprimir se ha de subir el archivo .stl a Eiger usando el botón para ello que se ve en la Figura 4-12 . Una vez subido, el programa entrará en el menú de edición de la pieza. Este menú es de gran importancia, ya que es dónde se le atribuirán a la pieza todas las propiedades que luego se verán reflejadas en la impresión. A continuación, en la Figura 4-13 se muestra un ejemplo de este menú con una de las probetas que se estudiarán. Figura 4-11. Menú de impresoras de Eiger Figura 4-12. Botón de importar de Eiger 24 24 ㅤㅤ Los aspectos más importantes de este menú se ven en las columnas de los laterales: Como se puede ver en la Figura 4-14, en este menú se muestran los detalles de la pieza en la que se está trabajando. El primer apartado nos da las dimensiones de la pieza según el eje x, y, z en mm. Este tamaño, tiene una resolución de 0,1 mm. Si se carga un archivo .stl con unas dimensiones distintas el programa redondea las dimensiones automáticamente hasta que sean múltiplos de 0,1. El segundo elemento es el tiempo de impresión estimado. Este, como ya se determinó al principio del capítulo es razonablemente exacto y resulta una buena ayuda para ajustar las impresiones. A continuación, se indica tanto el peso final de la pieza como el volumen de plástico y fibra que se va a usar en la impresión. Esto es extremadamente últil para poder ajustar los rollos de material que se van a usar. La siguiente información es el coste estimado de la pieza. Todas las piezas al establecer la cantidad y tipo de matriz y fibra se le asigna un coste estimado según el precio recomendado de los materiales por Markforged®. Este elemento es útil para controlar los costes de producción y sobre todo si se quiere realizar un uso comercial de la máquina, dando un precio base para cada impresión de una manera fácil y rápida. En Versions se tiene un registro de todos los cambios realizado a la pieza. En Print Jobs se almacena un registro de todas las veces que se ha impreso esa misma pieza. Por último, pueden aparecer 2 ventanas más: Warnining y Error. En el apartado de Warning se indican aspectos de la pieza que se está diseñado que pueden afectar a su acabado, propiedades o que durante la impresión va a ser necesario la manipulación de la máquina como por ejemplo cambiar el material. Estos avisos solo son recomendaciones y se puede imprimir aun cuando estos existan. Si aparece un apartado de Error es indicativo de un fallo en la pieza que hace imposible su impresión. Uno de los errores más comunes es que la pieza se salga Figura 4-13. Menú de edición de Eiger Figura 4-14. Columna derecha del menú de edición 25 Puesta a punto y caracterización de probetas de material compuesto fabricadas con un sistema de impresión 3D de los límites de la cama de impresión, por lo que no se podrá imprimir. En la columna de la derecha se concentran la mayoría de los parámetros a controlar de la impresora. En esta se encuentran 4 menús distintos. El primero: General, que se puede ver en la Figura 4-15. En este se puede elegir en primer lugar el plástico de la matriz entre las 4 opciones posibles que ofrece Markforged®: Nylon, Onyx, Onyx Fr y Onyx ESD. Dentro de este menú también aparecen los materiales para las impresoras de materiales metálicos de Markforged®, pero no es posible seleccionarlos en esta impresora. A continuación, se muestran las opciones de refuerzo, en las que se puede elegir: no añadir ninguno, fibra de carbono, fibra de vidrio, fibra de vidrio HSHT, o Kevlar®. En el caso de no elegir ningún refuerzo el menú reinforcement permanecerá deshabilitado. El siguiente paso es seleccionar el modelo de impresora que se va a usar, en este caso Mark Two®. En el siguiente apartado se permite la orientación de la pieza dentro de la cama de impresión. Para esto se permite una rotación manual para colocarla de la manera óptima. Hay que recordar que para elegir esta orientación es muy importante maximizar la superficie de contacto con la cama de impresión y que las fibras estén orientadas correctamente. También se permite bloquear esta orientación con Lock Orentation para evitar un movimiento accidental de la pieza. Por último, se encuentra la opción Cloud Slicing, dónde se permite elegir dónde se va a realizar el procesamiento de la pieza, para trazar el camino de impresión. A menos que la pieza sea extremadamente grande, lo más recomendable es dejar Cloud Slicing por defecto. El segundo menú: Settings, se puede ver en la Figura 4-16. La primera opción de layer height permite controlar el espesor de la capa de extrusión durante la impresión. Este espesor se puede variar entre 0,1 y 0,2 mm en el caso que no exista refuerzo. Si se le añade cualquier tipo de refuerzo el espesor de las capas queda automáticamente fijado. En la Tabla 4 se muestran los distintos espesores según el tipo de fibra. En esta sección también se puede elegir las unidades y la escala en la que se trabajaba en el programa dónde se ha extraído el diseño de la pieza para imprimir la pieza acorde al diseño realizado. Figura 4-15. Menú de Part Settings General Figura 4-16: Menú de Part Settings Settings 26 26 Tabla 4. Espesor de las capas según el tipo de refuerzo Material Espesor de capa [mm] F. Carbono 0.125 F. Vidrio 0.1 𝐊𝐞𝐯𝐥𝐚𝐫® 0.1 Al final en este menú hay tres opciones de las que se puede elegir: Use supports: En caso de selecciónalo el programa añade un elemento de soporte en las piezas que tienen voladizos o tienen una esbeltez considerable, evitando así que la pieza colapse durante la impresión. Expand Thin Features: En caso de que la pieza a imprimir no se haya diseñado para que sea impresa en esta impresora 3D es posible que algunos de los bordes o detalles sean demasiado finos, resultando en un posible acabado poco deseable. Esta opción permite agrandar estos detalles automáticamente mejorando potencialmente los acabados y la integridad estructural de la pieza. Use Brim: Esta opción añade una base de Onyx o Nylon a la pieza para mejorar su estabilidad. Este brim es recomendable cuando la superficie de contacto con la cama no es muy buena o si la pieza tiende a tener deformaciones residuales muy acusadas. El tercer menú: Infill, se puede ver en la Figura 4-17. La impresora Mark Two®, como la mayoría de impresoras 3D que se vieron En el capítulo 1, no suelen imprimir piezas sólidas al 100 % de plásticos. A medida que se aumenta el porcentaje aumenta la resistencia mecánica de la pieza pero se incrementa el tiempo, el coste y el peso de la pieza. La impresora Mark Two®dispone de 4 patrones posibles de llenado que se muestran en la Tabla 5. Además, en las, Figura 4-20, Figura 4-19 y Figura 4-18, se muestra una misma pieza con 3 patrones de relleno distintos. Tabla 5. Patrones de llenado y su rango de densidades Patrón Volumen de llenado [%] Triangular 28 - 55 Hexagonal 28 - 60 Rectangular 0 - 92 Sólido 100 Figura 4-17: Menú de Part Settings Infill 27 Puesta a punto y caracterización de probetas de material compuesto fabricadas con un sistema de impresión 3D A continuación, en el menú, se encuentran la selección de capas de pared y superficie. Todas las piezas que se fabrican con una impresora Mark Two®tienen al menos una capa de superficie y una de muro. Estas capas están seleccionadas predeterminadamente para ser 4 de superficie y 2 de muro, pero se pueden reducir a 1 y 1. En el caso que se reduzcan del número predeterminado, aparecerá en Eiger un Warning avisando que el acabado superficial se puede ver afectado. El último menú: Reinforcement En este menú que se puede ver en la Figura 4-21 se permite diseñar el patrón de refuerzo de la fibra del material compuesto dentro de la pieza a imprimir. La primera selección es el número de capas de la pieza que se quiere que tengan refuerzo. Se puede seleccionar solo una parte de la pieza si se estima que en el resto no será necesaria tanta resistencia, reduciendo así el coste de la pieza. A continuación, se puede elegir entre 2 tipos de patrón de relleno de las fibras. El primero es Isotropic Fiber. Este es el patrón de llenado rellena completamente la pieza con un patrón por lámina típico de un material compuesto clásico. Si se selecciona esta opción el programa también permite añadir anillos exteriores de fibra antes de comenzar con el patrón interior como se ve en la Figura 4-22. En caso de seleccionar 0 en este apartado, la estructura interior de las láminas tendrá un comportamiento parecido al de una lámina de material compuesto tradicional. Figura 4-20. Relleno Hexagonal [27] Figura 4-19. Relleno triangular [27] Figura 4-18. Relleno Sólido [27] Figura 4-21. Menú de refuerzos 28 28 Después se selecciona el patrón del laminado que se va a imprimir en la pieza. Para seleccionarlo hay que escribir el ángulo de la fibra respecto al eje x, y en el caso que se quiera que se tengan más de 1 dirección se separan los números con una coma. Este patrón se repetirá en orden hasta que se acaben las láminas de la pieza. Ejemplo de laminados de 8 capas: Laminado unidireccional de 0°: 0 Laminado de ±45° simétrico: 45, -45, 45, -45, -45, 45, -45, 45 En el caso que se escriba 45, -45 el programa reperirá 45, -45, 45, -45 hasta acabar todas las capas La segunda opción disponible es Concentric Fiber. En el caso de elegir esta opción el programa nos dará 3 opciones para este tipo de refuerzo: All Walls: Refuerza todas las paredes interiores y exteriores con el número de anillos especificado, cómo se muestra en la Figura 4-23. Outer Shell Only: Solo refuerza el perímetro exterior de la pieza, cómo se muestra en la Figura 4-24. Inner Shell only: Solo refuerza los muros interiores de la pieza, cómo se muestra en la Figura 4-25. Figura 4-22. Pieza con Isotropic Fiber [28] Figura 4-23. Pieza con refuerzo de All Walls [28] Figura 4-24. Pieza con refuerzo de Outer Shell Only [28] Figura 4-25. Pieza con refuerzo de Inner Shell Only [28] 29 Puesta a punto y caracterización de probetas de material compuesto fabricadas con un sistema de impresión 3D Una vez ya se haya acabado el diseño de la pieza se procede a guardar la pieza y trazar así el relleno interior, el camino de la fibra y las características que se vieron antes en la columna de la izquierda. 4.4.2.3 Proceso de configuración: Internal View Antes de proceder a la impresión de la pieza es de vital importancia entrar en el menú de previsualización de la pieza. Este menú permite una visualización completa de la pieza con todas sus capas, patrones, refuerzos, muros y capas superficiales además permitir editar parámetros extra de impresión. En la Figura 4-26 se puede observar cómo es dicho menú. Figura 4-26. Menú de Internal View de una probeta En el menú de Internal View tenemos abajo la barra de impresión de la probeta. Aquí se muestran de manera horizontal todas las capas de la pieza a imprimir. Esta tiene un código de colores para mostrar con que materiales se está imprimiendo: • Blanco: Nylon u Onyx sin refuerzo. • Azul: capa con refuerzo de fibra de carbono. • Amarillo claro: capa con refuerzo de fibra de vidrio. • Amarillo oscuro: capa con refuerzo de fibra de 𝐾𝑒𝑣𝑙𝑎𝑟®. • Amarillo anaranjado: capa con refuerzo de fibra de vidrio HSHT En la zona de la izquierda se puden ver el tiempo y coste de impresión además de los volúmenes de material hasta la capa seleccionada en la barra inferior. En la Figura 4-27 se puede observar cómo se disponen los datos indicados. Figura 4-27. Datos del menú de visión interna referentes a la pieza 30 30 Dentro de este menú se puede visualizar el camino exacto que seguirá el cabezal de impresión. Para ello se puede entrar en el menú 2D e ir seleccionando las capas que se deseen dentro de la pieza como se ve en las figuras. En la Figura 4-28 y Figura 4-29 se muestra dos ejemplos de cómo se disponen dichas capas. Por último, en Internal view se tiene a la derecha una serie de parámetros de impresión separados por capa que se pueden modificar. Dichos parámetros se muestran en la Figura 4-30. Algunos de estos parámetros ya estaban en el menu de Part View: Use Fiber, Fiber Fill Type, Concentric Rings y Fiber Angle. Aquí se permite volver a variar estos parámetros. Las dos opciones más importantes en este menú son: Pause After Layer: esta opción para la impresión automáticamente una vez se acaba de imprimir esta capa. Esto es muy útil si se sabe que va a ser necesario cambiar algún rollo de material, colocar una lámina de teflón para evitar la unión de parte de las capas o se desea introducir algún tipo de material en el interior. Start Rotation Percent: con este parámetro se puede controlar dónde comienza a imprimir la fibra. Esto es de gran importancia en numerosas situaciones. Por defecto el programa coloca el inicio de la fibra en lo que reconoce cómo los extremos de la pieza, que pueden no ser los correctos. Además, cuando se imprime con concentric ring, el lugar dónde comienza a imprimir la fibra va rotando unos pocos grados alrededor de la pieza a medida que se imprimen las capas. Esto puede causar que en la zona dónde los esfuerzos son mayores la fibra sea discontinua. Por ello es de vital importancia que antes de imprimir una pieza se comprueben los inicios de fibra capa por capa y confirmar su correcta colocación. Una vez comprobados todos los parámetros de impresión se procede a la impresión de la pieza pulsando print. Figura 4-28. Capa de fibra de carbono en el Internal view Figura 4-29. Capa de Onyx en el internal view Figura 4-30. Parámetros de impresión disponibles dentro del Internal View 31 Puesta a punto y caracterización de probetas de material compuesto fabricadas con un sistema de impresión 3D 4.4.2.4 Impresión de la pieza El menú de impresión es el último paso antes de comenzar la fabricación de la pieza. En la Figura 4-31 se puede observar dicho menú. En la zona de la izquierda el programa ofrece una serie de parámetros de impresión: Select Printer: Se da a elegir el método por el cual se va a enviar el archivo a la impresora. Se puede imprimir online o descargar el archivo, pasarlo a un pen drive y luego abrir el archivo desde la impresora. Parts in Build: Esta opción permite añadir cualquier pieza de la biblioteca al archivo de impresión, mientras quepan en la cama de impresión y los materiales entre las piezas sean los mismos. Esta característica permite añadir múltiples piezas por impresión, aumentando así el número de horas que puede funcionar la máquina sin supervisión. Posicionamiento de las piezas: Una vez se hayan añadido las piezas que vayan a imprimir, se puede colocar una a una en la cama de impresión en la posición que se desee. Para esto se puede seleccionar la posición del eje x e y de la cama, así como el ángulo en el plano de esta como se ve en la Figura 4-32. Una vez todas las piezas estén colocadas correctamente se puede guardar la configuración para acabar más tarde o exportarla en un archivo .mfp para proceder a su impresión. Si se decide exportarla, Eiger también permite enviar la impresión de manera online o descargar el archivo, pasarlo a un pendrive y pasarlo a la impresora. Antes de comenzar la impresión es necesario asegurar que la cama esté nivelada y que haya el suficiente material. Después hay que limpiar la cama con un paño húmedo, secarla y cubrir la zona de impresión con pegamento de barra o laca como se indica en el manual [24]. Figura 4-31. Menú de impresión de Eiger Figura 4-32. Parámetros para el posicionamiento de la pieza dentro de la cama de impresión 38 38 Cada 5- 20 minutos comprobar la nivelación de la impresora con las láminas de nivelación Ajustar el nivel de la cama junto al de las dos boquillas de impresión después de 2-4 impresiones o si ha detenido la impresión por atascamiento del cabezal. Si transcurren varios días entre impresiones hay que purgar la línea de plástico 39 Puesta a punto y caracterización de probetas de material compuesto fabricadas con un sistema de impresión 3D Capítulo 5: DISEÑO Y REALIZACIÓN DE ENSAYOS 5.1 Introducción El objetivo principal de este trabajo, como ya se vio anteriormente, es caracterizar y determinar el efecto escala en probetas de fibras de carbono y de vidrio fabricadas con la impresora 3D Mark Two®. Para ello se van a imprimir 3 tamaños de probetas para cada material y 5 probetas de cada uno, siendo en total una batería de 30 ensayos. Los ensayos se van a realizar en la máquina Instron 4483 a un ratio de deformación de 1,25 % por minuto. El diseño de estos ensayos se ha basado en la norma ASTM D3039 para los ensayos a tracción de materiales compuestos [31] y en el artículo publicado Effect of specimen size on longitudinal strength of unidirectional carbon/epoxy composite laminates por M. Kawai, K. Watanabe, H. Hoshi, E. Hara & Y. Iwahori en 2019 [32]. Ciertas variaciones se han llevado a cabo a causa de las limitaciones de utillaje y maquinaria que ya se verán más adelante. 5.2 Diseño de las probetas 5.2.1 Diseño preliminar Para el diseño de las 3 probetas de vidrio y carbono se ha buscado que, de un tamaño a otro, cada una de las dimensiones de impresión en fibra duplicase el tamaño, multiplicando así el volumen de fibra por 8 entre una probeta y la siguiente. El control del volumen de fibra impresa, que va a ser el objeto de ensayo, es de vital importancia. Por ello, se han aplicado los conocimientos extraídos de los tests realizados de impresión de fibra y se ha llevado un control exhaustivo de las impresiones. Para el diseño exacto de las dimensiones de probetas se ha comenzado estableciendo la longitud de éstas. Siendo 320 mm la longitud máxima de impresión posible, se ha establecido ésta como la longitud de la probeta de gran tamaño. Para los siguientes tamaños se ha reducido a la mitad cada uno, quedando 160 y 80 mm para la probeta de tamaño medio y la pequeña, respectivamente. En cuanto al ancho, como ya se vio en el capítulo 4, no es posible imprimir un número par de hilos de fibras en la impresora Mark Two®. Esto hace imposible duplicar el número de hilos de fibra impresos manteniendo el mismo patrón de impresión. Por ello se ha decidido que las probetas tengan el doble de hilos + 1 en cada una. Comenzando por la probeta más pequeña se ha decidido que esta tenga 7 hilos de fibra, lo que posiciona a la de tamaño medio con 15 y la de gran tamaño 31 hilos. Por otra parte, se ha buscado un espesor de fibra de 0,5 mm para la probeta más pequeña, 1 mm para la mediana y 2 mm para la de mayor tamaño. Estas medidas se han diseñado para evitar un espesor excesivo en la probeta de mayor tamaño. Diseño y realización de ensayos 40 40 5.2.2 Diseño 3D e implementación en Eiger Para el diseño 3D se ha usado el programa de modelado 3D CATIA y luego se ha introducido el archivo. stl en Eiger. Dentro de este se han seleccionado los parámetros correspondientes para realizar estos ensayos. En primer lugar, se han reducido el número de capas superficiales y muros de Onyx a 1. Esto da un espesor de cada muro de 0.4 mm por lado y un espesor de las capas superficiales de Onyx de 0,125 mm para las probetas de carbono y de 0,1 mm de espesor de capa superficial para las de vidrio. Estos muros y capas superficiales habrán de tenerse en cuenta más adelante para conocer la resistencia real de las fibras de carbono y de vidrio. Se ha seleccionado la opción de isotropic fiber en el refuerzo, con 0 anillos concéntricos y el ángulo de 0º. En cuanto al infill, aunque no va a imprimirlo, ya que solo hay capas de superficie y muros de onyx, se ha seleccionado el triangular con una densidad del 55 %. Todas las opciones seleccionadas en Eiger se muestran en la Figura 5-1. De estos parámetros solo se variará al tipo de refuerzo usado y las capas de este. Figura 5-1. Parámetros de impresión usados para la fabricación de las probetas El largo de todas las probetas se ha diseñado en 3D tal y como se ha descrito en el apartado 5.1. Para el espesor se ha inferido dependiendo del material y el espesor de capas requeridos. En el caso de las probetas de fibra de carbono, el espesor por capa es de 0,125 mm, por lo que para las probetas pequeñas el espesor del archivo .stl será de 0,125 × 4 para las capas de fibra carbono y de 0,125 × 2 para las capas de Onyx de superficie. Dando en total un espesor de 0,75 mm. Para el resto de las probetas de carbono se ha duplicado el número de capas de refuerzo de las de la probeta anterior y sumando las capas superficie de Onyx, da unos espesores de 1,25 mm para la probeta medina y de 2,25 mm de espesor para la probeta de gran tamaño. Con las probetas de vidrio se ha seguido un proceso idéntico para inferir el espesor deseado del archivo .stl. El espesor de cada capa de refuerzo de vidrio es de 0,1 mm, al igual que las capas de superficie impresas al usar este tipo de material de refuerzo. Por ello, para mantener 0,5 mm de espesor de fibra en las probetas pequeñas se imprimirán 5 capas de fibra en las probetas de menor tamaño, 10 en las de tamaño medio y 20 en las de mayor tamaño. Esto da un espesor final de 0,7 mm para las probetas pequeñas, 1,2 mm para las medianas y 2,2 mm para las grandes. Por último, para el ancho de las probetas se busca que las probetas tengan 7, 15 y 31 filamentos de fibra, maximizando así la densidad de fibra dentro de las probetas. Como ya se ha visto en el capítulo 4 para distintos anchos Eiger puede imprimir la misma cantidad de fibra y rellenar el resto con Onyx. Por ello para cada uno de los 6 tipos de probetas a diseñar se ha partido de un ancho el cual imprima menos fibras de las deseadas. Después se ha ido aumentando de 0,1 mm en 0,1 mm hasta la primera probeta que imprima el número de fibras deseado. Realizando este procedimiento y contando con los muros que se imprimen de Onyx las probetas de menor tamaño tendrán un ancho de 7,3 mm, las de tamaño medio 14,5 mm y las de mayor tamaño 28,9 mm. Es 41 Puesta a punto y caracterización de probetas de material compuesto fabricadas con un sistema de impresión 3D importante destacar que, aunque los filamentos de fibra de carbono sean más altos que los de vidrio una vez impresos, su ancho es idéntico. Una vez determinadas todas las dimensiones, estas se resumen en la Tabla 10 junto con el tiempo de impresión de cada una. Entre paréntesis se exponen las dimensiones sin los muros ni superficies de Onyx. Tabla 10. Dimensiones y tiempos de impresión de todas las probetas diseñadas Probeta Largo [mm] Ancho [mm] Espesor [mm] Tiempo de Impresión [min] Pequeña carbono 80 7,3 (6,5) 0,75 (0,5) 9 Mediana carbono 160 14,5 (13,7) 1,25 (1) 37 Grande carbono 320 28,9 (28,1) 2,25 (2) 231 Pequeña vidrio 80 7,3 (6,5) 0,7 (0,5) 10 Mediana vidrio 160 14,5 (13,7) 1,2 (1) 44 Grande vidrio 320 28,9 (28,1) 2,2 (2) 296 Todos estos parámetros de diseño se han comprobado en internal view en Eiger, para asegurar que no exista ninguna anomalía. A continuación, en la Figura 5-2, se muestra una de las probetas diseñadas en Eiger. Estas probetas estarán unidas en los extremos por tacos para su agarre a las mordazas. Siguiendo las proporciones del artículo [18]. El objetivo final es que el volumen ensayado se siga multiplicando por 8 de una probeta a otra, por lo que los tacos de fibra de vidrio cubrirán todo el ancho de la probeta y cada uno de los tacos un cuarto de la longitud de esta, con los resultados que se indican en la Tabla 11: Figura 5-2. Probeta de fibra de carbono de tamaño grande en Eiger Diseño y realización de ensayos 42 42 Tabla 11. Dimensiones deseables para los tacos de las probetas Taco de la probeta Probeta Espesor [mm] Largo [mm] Ancho [mm] Pequeña 0,6 20 8,5 Mediana 0,6 40 16 Grande 0,6 80 30 Sin enmbargo estos tacos fueron acortados una vez las probetas se fabricaron por carecer de mordazas lo suficientemente grandes para agarrar completamente los tacos de las probetas grandes. Para seguir manteniendo la proporción todos los tacos fueron recortados en concordancia, con las longitudes finales que se muestran en la Tabla 12: Tabla 12. Dimensiones finales de los tacos Taco de la probeta Probeta Espesor [mm] Largo [mm] Ancho [mm] Pequeña 0,6 14 8,5 Mediana 0,6 28 16 Grande 0,6 56 30 Aunque este corte se podía haber evitado si se hubiese planeado desde un primer momento, en los ensayos de las probetas de vidrio que se realizaron conociendo este problema, se va a seguir el mismo procedimiento para reducir al mínimo la variabilidad entre los distintos ensayos. 5.3 Fabricación de las probetas Cabe destacar que durante la impresión de estas probetas aparecieron ciertos problemas con la impresora. En este capítulo sólo se describiran brevemente algunos de ellos, dejando una explicación más exhaustiva para el capítulo 6. 5.3.1 Impresión de las probetas • Probetas de carbono Se ha comenzado imprimiendo las probetas de carbono de menor a mayor tamaño, controlando siempre el número de fibras impresas y que no existiese ninguna anomalía durante la impresión. Las probetas pequeñas y medianas fueron fabricadas en la misma impresión en principio sin problemas. En cuanto a las grandes, por el gran volumen de fibra usado en cada una de ellas, si se hubiese impreso más de una hubiera sido necesario el cambio del rollo de fibra durante la impresión, por lo que se decidió imprimirlas una a una. El resultado de estas impresiones se puede observar en la Figura 5-3. 43 Puesta a punto y caracterización de probetas de material compuesto fabricadas con un sistema de impresión 3D A medida que se han manipulado las probetas se ha observado que las probetas grandes 2 y 3, así como la probeta pequeña 1 presentan unas delaminaciónes parciales de la capa Onyx en una de sus caras. Estas delaminaciónes se puden ver en la Figura 5-4 y Figura 5-5. Teniendo en cuenta la pequeña influencia de la capa de Onyx en la resistencia a tracción de estas probetas y el tipo de ensayo que se va a realizar, se estima que el impacto en los resultados será despreciable. Aun así, se monitorizarán el comportamiento de estas probetas. Algo que si se ha tenido muy en cuenta es la colocación de las galgas extensométricas en las caras donde no hubiese ningún tipo de delaminación. Por otra parte, se observa que una de las probetas pequeñas en esta tanda, la número 4, es algo más gruesa que el resto y parece más rígida. De esta manera se decide imprimir una probeta más, para usar en caso de que ésta tenga algún defecto que invalide el ensayo. Figura 5-3. Probetas de fibra de carbono recién impresas Figura 5-5. Delaminación parcial de una probeta de fibra de carbono grande vista desde el lateral Figura 5-4. Delaminación parcial de una probeta de fibra de carbono grande vista desde arriba Diseño y realización de ensayos 44 44 Es importante destacar que desde que fueron impresas, hasta los ensayos, todas las probetas fueron almacenadas en una campana como se ve en la Figura 5-6, para evitar que el nylon absorviese el agua del ambiente y que se viesen degradadas las propiedades del material. • Probetas de vidrio Para la fabricación de las probetas de vidrio se ha seguido el mismo método que para las de carbono, comenzando por las más pequeñas y siguiendo por las más grandes. Para ello se dispuso la impresión en cuatro tandas. En la primera se imprimirían las probetas de menor tamaño como se ve en Figura 5-7. Este proceso no tuvo ningún problema a excepción de una pequeña decoloración de la capa superficial de Onyx, lo cual puede ser debida a una falta de material de cobertura en la superficie. Figura 5-6. Almacenamiento de las probetas en una campana de secado Figura 5-7. Impresión de las probetas de fibra de vidrio pequeñas 45 Puesta a punto y caracterización de probetas de material compuesto fabricadas con un sistema de impresión 3D En la segunda tanda se han impreso las cinco probetas de tamaño mediano. Estas presentan la misma decoloración en la parte superior como se ve en la Figura 5-8 y unas deformaciones residuales que alabean ligeramente la probeta del centro a los extremos. Este tipo de deformaciones no estaban presentes en ninguna de las probetas de fibra de carbono, lo que indica que en el caso del refuerzo con fibra de vidrio existen tensiones residuales en las probetas. A continuación, se dispuso a imprimir las 2 tandas de probetas de gran tamaño, sin embargo, varios defectos retrasarían este trabajo. En primer lugar, se intentó imprimir en este caso 3 probetas de gran tamaño juntas, aprovechando que los rollos de los que se disponían eran de 150 cm3, en lugar de los de 50 cm3 de las de carbono. Las primeras 2 horas de impresión transcurrieron sin problemas. Varios minutos después se regresó a la zona de trabajo, encontrando la máquina imprimiendo fibras erráticamente sin adherirse a las probetas como se muestra en Figura 5-9. La fuente de exacta este error se desconoce, pero parece haber sido causada por una reacción en cadena partiendo de un pequeño defecto. Ante este primer error se decidió imprimir las probetas de una en una, reduciendo así la posibilidad de un error de impresión y minimizando el gasto de material en el caso que este se diese. La siguiente probeta se imprimió en solitario y el resultado fue peor de lo esperado. Esta tenía unas deformaciones residuales muy severas además de la decoloración que ya se ha dado en el resto de las probetas reforzadas con vidrio. Para evitar este tipo de deformaciones se rediseñó la probeta con un brim, aumentando así la superficie de contacto de la probeta con la cama de impresión como se ve en la Figura 5-10. Figura 5-8. Decoloración de la capa superior en una probeta de fibra de vidrio mediana Figura 5-9. Fallo de impresión durnte la impresión de probetas de vidrio de gran tamaño Diseño y realización de ensayos 46 46 Figura 5-10. Probeta grande de fibra de vidrio con brim Este brim parece evitar que se despegue la probeta de la cama durante la impresión, sin embargo, una vez se retira de este, las deformaciones vuelven a aparecer. Sin conocimiento de si este hecho era aislado o si se iba a producir en todas las probetas se imprimieron finalmente 6 con brim y una sin él. Finalmente, no se pudo distinguir una mejora significativa entre los dos métodos. Es por esto por lo que, para este tipo de probetas se dispone de 7 especímenes en vez de 5. La severidad de este hecho se ve reflejada en la Figura 5-11, donde se muestra la última probeta impresa con brim. Como se puede observar, las deformaciones residuales son muy severas, hecho que puede afectar negativamente a los ensayos. Además, estas probetas presentan en algunas zonas delaminaciones en los extremos aún más severas y generalizadas en la capa de Onyx que la de fibras de carbono. Finalmente, en la Figura 5-12 se muestran todas las probetas impresas, preparadas para el siguiente paso del proceso. Figura 5-11. Deformaciones en la probeta nº 7 de fibra de vidrio grande 47 Puesta a punto y caracterización de probetas de material compuesto fabricadas con un sistema de impresión 3D 5.3.2 Medición de las probetas Una vez impresas todas las probetas se ha procedido a su medición. Para ello se ha hecho uso de un calibre como el de la Figura 5-13, y un reloj medidor como el de la Figura 5-14. Obteniendo los resultados de la Tabla 13 y la Tabla 14. Hay que tener en cuenta que, aunque los tamaños de las probetas sean ligeramente distintos de una a otra, la cantidad de refuerzo de fibra en su interior es idéntica. Esta disparidad se explica fácilmente por la gran rugosidad superficial que presenta el Onyx en los muros y en las capas de superficie. Esta rugosidad se puede observar en la Figura 5-4 y la Figura 5-5 expuestas anteriormente. Figura 5-12. Probetas de fibra de vidrio impresas Figura 5-14. Reloj medidor Figura 5-13. Pie de rey Diseño y realización de ensayos 54 54 5.4.1 Instrumentación y utillaje Para ejercer la carga en los ensayos se ha utilizado una máquina estática de ensayos Instron modelo 4482 como la que se muestra en la Figura 5-25, con a una célula de cara de 100 kN para las probetas grandes y medianas y de 5 kN para las pequeñas. En cuanto a las mordazas, se van a hacer uso de las mostradas en la Figura 5-24 de caras planas, dientes gruesos y una separación entre ellas de 0 a 6mm. En cuanto a los métodos para medir las deformaciones se han usado dos: galgas extensométricas y extensómetro. • Galgas extensométricas Este método para medir las deformaciones se ha usado en todas las probetas de FC y dos de cada uno de los tamaños de las probetas de FV. Estas galgas se han pegado en el centro de todas las probetas llevando a cabo los procedimientos necesarios para una correcta adherencia. Todas las galgas han sido producidas por HBM y se han usado tres tipos: Para las probetas grandes de vidrio se han usado las galgas 6/120 XY 31 como la que se ve en la Figura 5-26. Esta galga extensométrica permite medir tanto la deformación longitudinal 𝜀11 de la probeta como la deformación transversal 𝜀22. Figura 5-26. Galga 6/120 XY 31 Figura 5-25. Máquina estática de ensayos Instron 4482 Figura 5-24. Morzadas usadas para los ensayos 55 Puesta a punto y caracterización de probetas de material compuesto fabricadas con un sistema de impresión 3D Para las probetas pequeñas tanto de vidrio como de carbono se han usado las galgas 3/120 LY41 como la que se ve en la Figura 5-27. Esta probeta solo permite medir la deformación longitudinal. Se ha usado este tipo de galgas por la limitación de espacio que impedía el uso de una galga que permitiese medir dos direcciones de deformación. Figura 5-27. Galga 3/120 LY41 Para las probetas grandes y medianas de fibra de FC, así como las probetas medianas de FV se han usado las galgas 3/120 LY41 como la que se ve en la Figura 5-28. Esta galga extensométrica permite medir tanto la deformación longitudinal 𝜀11 de la probeta como la deformación transversal 𝜀22. Figura 5-28. Galga extensométrica 3/120 LY41 • Extensómetro Para la medición de las deformaciones en el resto de las probetas de FV y para la de Onyx se ha usado el extensómetro de la Figura 5-29. Este ha sido fabricado por Instron, en concreto es el modelo 2630-112 con una apertura de 50 mm. Figura 5-29. Extensómetro 2630-112 Diseño y realización de ensayos 56 56 5.4.2 Parámetros de ensayo A continuación, en la Tabla 15 se exponen los parámetros necesarios que aún no se habían expuesto. Tabla 15. Parámetros de ensayo Parámetro Valor o correspondiente Temperatura 25 ºC Humedad 50 % Lugar de ensayo Laboratorio GERM sevilla Velocidad del ensayo 0,5 / 1 / 2 mm/min Operador de la máquina Manuel Mudarra Acebedo La velocidad del ensayo se ha diseñado de manera que, la velocidad de deformación fuese igual para las 3 probetas, eliminando así la posibilidad de que esta afectase al efecto de escala. 5.4.3 Modelo de ensayo Para las mediciones de las propiedades mecánicas se ha usado, como ya se ha visto antes, la norma ASTM D3039. Para el tratamiento de resultados de resistencia y rigidez de las probetas estudiadas se van a llevar dos estudios. Primero teniendo en cuenta el tamaño real de la probeta y las propiedades obtenidas de los ensayos. A continuación, se va a realizar un estudio de rigidez y resistencia teórica de la fibra. Para llevar a cabo este procedimiento se va a sustraer al área real el área ocupada por el Onyx. Por otra parte, se plantea el estudio de retirar de manera teórica la resistencia y rigidez ofrecidas por este Onyx en caso de que sea significativo. En la Figura 5-30 se muestra un simple gráfico del proceso que se va a realizar. Figura 5-30. Gráfico de cómo se va a eliminar el Onyx numéricamente Para esta retirada teórica de las capas se ha supuesto que el taño real de las fibras en el interior de las probetas es el que indica Eiger en sus impresiones, eliminando así las paredes y superficies de gran rugosiad de Onyx. 57 Puesta a punto y caracterización de probetas de material compuesto fabricadas con un sistema de impresión 3D • Ensayo de tracción [33] En este ensayo se pretende obtener tanto la rigidez como la resistencia del material de estudio. En este caso se quiere conocer tanto la rigidez longitudinal en la dirección de la fibra 𝐸11, el coeficiente de Poisson ν12 y su resistencia a tracción Xt. Para ello se posicionan dos galgas extensométricas, una en la dirección de la fibra y otra prependicular a esta. Con esto se obtiene la deformación longitudinal 𝜀11 y transversal 𝜀22, de la probeta durante el ensayo. A continuación, gracias a la máquina de tracción, se somete a la probeta a una fuerza F conocida. De esta manera se obtiene una disposición como la de la Figura 5-31. Figura 5-31.Disposición de las galgas y las probetas para determinar la rigidez y resistencia del material [31] Cuando a la probeta se le aplica una fuerza F, en la zona central de la probeta el tensor de tensiones se hace 0 en todas sus componentes excepto para: 𝜎11 = 𝐹 𝐴 Siendo A el área de la probeta 𝑏∗ 𝑡. Haciendo uso de las ecuaciones constitutivas y las relaciones entre constantes en ejes arbitrarios y en ejes de ortotropía particularizadas para θ = 0° y despejando se obtiene: 𝐸11=𝜎11 𝜀11 y ν12 =− 𝜀22 𝜀11 Para extraer los datos del ensayo: 𝐸11=∆𝐹 𝐴 ∗ ∆𝜀11 y ν12 =− ∆𝜀22 ∆𝜀11 Midiendo estas variables entre 1000 y 3000 με. Diseño y realización de ensayos 58 58 5.5 Resultados 5.5.1 Onyx En este caso solo se ha ensayado una probeta, mostrada en la Figura 5-33, buscando exclusivamente el Módulo de Young de este material para usarlo en los siguientes estudios y compararlo con el que ofrece Markforged®. En la Tabla 16. Característias de la probeta de Onyx se muestran las características de la probeta y el ensayo, y en la Figura 5-34 se representan los resultados obtenidos. Tabla 16. Característias de la probeta de Onyx Material Onyx Patrón de relleno Solid Largo 175,23 mm Ancho 25 mm Espesor 2,45 mm Velocidad de ensayo 1 mm/min Célula de carga 5 kN Figura 5-33. Probeta de Onyx 59 Puesta a punto y caracterización de probetas de material compuesto fabricadas con un sistema de impresión 3D Figura 5-34. Diagrama Tensión-Deformación del ensayo con Onyx La rigidez al igual que para el resto de las probetas se va a medir entre 1000 y 3000 μϵ. Esto arroja un valor del módulo de rigidez de 0,60 GPa. Este valor es una cuarta parte del valor descrito por el fabricante de 2,4 GPa. Vista esta gran diferencia es importante destacar que esta probeta se ensayó más de 6 meses después de ser impresa, por lo que ha podido absorber humedad, reduciendo así las propiedades del material. Aún así todas las probetas que se van a ensayar esperaron como mínimo tres semanas antes de ensayarse, por lo que el resultado es válido para los intereses del estudio. A continuación, se va a calcular la resistencia media que puede aportar el Onyx a las probetas tanto de fibra de carbono como a las de vidrio. Primero se va a comenzar con el caso más desfavorable: las de las probetas de fibra de vidrio de tamaño pequeño dónde la proporción de Onyx a fibra es la mayor y la deformación en rotura es mayor. Primero hay que calcular el área de este material, para ello sumamos el área de las capas superficiales y la de los muros. Esto arroja un área de 1,78 𝑚𝑚2. Conociendo esta área, la deformación en rotura y el Módulo de Young del Onyx se determina que en la rotura el Onyx proporciona ~ 20 N frente a los ~2000 N que resiste este tipo de probetas. Por lo tanto, el Onyx representa como máximo el 1 % de la resistencia de las probetas, porcentaje que cae hasta el 0,1 % para las probetas de fibra de carbono grandes. Además, hay que tener en cuenta que en la mayoría de probetas las capas de Onyx sufren delaminaciones, faltas de material y muros mal impresos. Por ello se decide eliminar del cálculo de la resistencia y rigidez de las probetas las propiedades aportadas por el Onyx por considerarse desprecibles. 5.5.2 Probetas de fibra de carbono En este apartado se van a mostrar los resultados obtenidos del ensayo de tracción de todas las probetas de fibra de carbono. Las dimensiones y características de estas probetas se encuentran en los apartados anteriores de este capítulo. • Probetas grandes Una vez pegadas las galgas se han soldado los cables como se muestra en la Figura 5-35, se ha procedido a los ensayos de tracción de estas probetas. Diseño y realización de ensayos 60 60 A continuación, en la Tabla 17 y la Figura 5-36 muestran los resultados obtenidos y las gráficas tensióndeformación de estas probetas. Como se puede observar todas las probetas tienen una rigidez muy similar excepto la probeta 3, pudiendo ser causado por una posible delaminación de la zona de Onyx durante el pegado. En las gráficas de las probetas 2 y 5 se pueden observar una gran cantidad de ruido en la medición de las deformaciones. Este error ha sido introducido por una mala conexión o unas galgas extensométricas defectuosas. Es importante destacar que la resistencia media obtenida en este ensayo, así como el de tamaño medio es superior a la dada por el fabricante de 800 MPa. En cuanto las probetas 1 y 3 fallaron a causa de un error en su agarre que se comentará más adelante. Tabla 17. Resultados experimentales tracción probetas grandes de FC 𝑿𝒕 [MPa] 𝑿𝒕 [Mpa] sin Onyx 𝑬𝟏𝟏 [Gpa] 𝑬𝟏𝟏 [Gpa] sin Onyx 𝝂𝟏𝟐 P1 G* 354,33 417,01 76,92 90,52 0,402 P2 G 758, 84 902,97 65,36 77,77 0,428 P3 G* 500,16 587,37 56,92 66,85 0,335 P4 G 752,80 870,68 75,08 86,83 0,491 P5 G 806,61 961,62 64,37 76,74 0,433 Media* 779,71 911,76 67,73 79,74 0,422 Desviación Típica* 38,05 46,10 8,25 9,29 0,057 Coeficiente de Variación (%)* 4,88 5,06 12,18 12,66 13,53 *Los datos de Media, Desviación Típica y Coeficiente de variación se han obtenido dejando fuera las probetas número 1 y 3. Figura 5-35. Probetas grandes de FC listas para el ensayo 61 Puesta a punto y caracterización de probetas de material compuesto fabricadas con un sistema de impresión 3D Figura 5-36. Diagrama Tensión-Deformación de las probetas grandes de FC El resultado una vez ensayadas las probetas se puede observar en la Figura 5-37. En dicha figura se pueden observar los distintos modos de fallo de cada una de las probetas, siendo aparentemente correctos los de las probetas 2, 4 y 5. Tanto la probeta 1 como la 3 sufrieron un fallo prematuro a causas de un mal agarre de las mordazas. Como ya se ha visto en este capítulo, al fabricar estas probetas apareció un grave problema de no planitud en los tacos. Esto hizo que en la mordaza solo agarrase a los tacos en una zona de estos, provocando un fallo prematuro en la probeta. En la Figura 5-38 se puede ver como en la probeta 1 las marcas de las mordazas solo están en una zona. Figura 5-37. Probetas de FC grandes una vez ensayadas Diseño y realización de ensayos 62 62 Además, este fallo se produjo en los tacos, invalidando completamente los resultados. A pesar de intentar arreglar este problema lijando los tacos, este problema volvió a aparecer en la probeta 3 por un lijado insuficiente. En la Figura 5-39 se pueden observar estos fallos de agarre con mejor detalle. • Probetas medianas A estas probetas también se le han lijados los tacos para evitar los errores que han aparecido en las probetas de mayor tamaño. Una vez se han limpiado las probetas, pegado las galgas extensométricas y soldados los cables se obtiene el resultado de la Figura 5-40 Figura 5-40. Probetas medianas de FC listas para el ensayo A continuación, en la Tabla 18 y la Figura 5-41 se muestran los resultados obtenidos del ensayo de tracción junto a la gráfica de tensión deformación. Figura 5-39. Detalle del fallo de la P3 grande de FC Figura 5-38. Detalle del fallo de la P1 grande de FC 63 Puesta a punto y caracterización de probetas de material compuesto fabricadas con un sistema de impresión 3D Durante los ensayos se ha detectado una serie de anomalías. Las probetas 1, 2 y 4 han sufrido fallos en más de una ocasión, comportamiento no esperado en probetas de carbono de 0º unidireccionales. Este comportamiento parece ser a causa de cómo se imprime las propias probetas en la impresora, pero tampoco se puede descartar la opción de fallos en los tacos. También hay que destacar el modo de fallo de las probetas 3, 4 y 5 cerca de los tacos. Este modo de fallo no es adecuado, sin embargo, no se aprecia una reducción de la resistencia en estas probetas. Por ello se procede a tomarlos como buenos. En la Figura 5-42 se pueden ver las probetas tras los ensayos Otra anomalía son los, extraordinariamente altos, valores de 𝐸11 arrojados por las probetas 1 y 4 y el ν12 de la probeta 5 que se pueden ver en la Tabla 18 y la Figura 5-41. Estas anomalias han podido ser provocadas por una mala colocación de las galgas o tensiones no uniformes, aunque se desconoce la fuente real. Tabla 18. Resultados experimentales tracción probetas medianas de FC 𝑿𝒕 [Mpa] 𝑿𝒕 [Mpa] sin Onyx 𝑬𝟏𝟏 [Gpa] 𝑬𝟏𝟏 [Gpa] sin Onyx 𝝂𝟏𝟐 P1 M 574,14 796,25 87,39 121,20 0,432 P2 M* 580,34 804,84 - - - P3 M 692,70 910,11 65,09 85.51 0,3528 P4 M 575,69 798,40 81,42 112,92 0,4534 P5 M 724,59 965,25 65.04 86,63 0,625 Media 629,49 854,97 71,97 106,91 0,467 Desviación Típica 73,17 78,04 11,54 18,05 0,115 Coeficiente de Variación (%) 11,62 9,13 14,8 16,88 24,61 *La galga extensométrica de la probeta 2 falló durante el ensayo, por lo que no es posible extraer datos de deformaciones de esta. Diseño y realización de ensayos 70 70 Tabla 21. Resultados experimentales tracción probetas medianas de FV 𝑿𝒕 [MPa] 𝑿𝒕 [MPa] sin Onyx 𝑬𝟏𝟏 [GPa] 𝑬𝟏𝟏 [GPa] sin Onyx 𝝂𝟏𝟐 P1 M 635,81 742,55 27,63 32,265 0,30 P2 M 555,54 703,96 24,16 30,61 0,338 P3 M 544,05 675,10 - - - P4 M 531,35 659,35 20,30 25,20 - P5 M 574,75 713,19 20,53 25,47 - Media 568,3 698,83 23,16 28,39 0,319 Desviación Típica 40,97 32,66 3,47 3,59 0,027 Coeficiente de Variación (%) 7,20 4,67 14,98 12,64 8,42 Figura 5-50. Diagrama Tensión-Deformación de las probetas medianas de FV 71 Puesta a punto y caracterización de probetas de material compuesto fabricadas con un sistema de impresión 3D Al igual que con las probetas de FV grandes no se ha observado ninguna anomalía con esta tanda de probetas. El modo de fallo de todas ellas ha sido muy similar tanto entre ellas como a las de gran tamaño. El resultado de los ensayos lo podemos ver en la Figura 5-51. Esto lleva a pensar que hay una alta probabilidad de que los ensayos realizados en estos dos grupos de probetas sean una fiel representación de la realidad. • Probetas pequeñas Es muy importante destacar de nuevo la gran dificultad de realizar el ensayo de tracción de unas probetas tan pequeñas con unas mordazas no dispuestas para ello. Además, a diferencia de las de FC, estas probetas son mucho más flexibles. Esto hace que sea aún más difícil alinear correctamente las probetas y evitar cualquier daño derivado de esto. A continuación, en la Tabla 22 y la Figura 5-52 se muestran los resultados obtenidos del ensayo de tracción junto a la gráfica de tensión deformación. En este caso solo se ha obtenido el valor de rigidez de dos de las probetas al ser demasiado pequeñas para la utilización del extensómetro y no disponer de más galgas extensométricas del modelo necesario. En estas probetas sí han aparecido anomalías durante el ensayo. Primero, el modo de fallo de todas las probetas excepto la 5 ha sido distinto al resto de probetas de tamaños superiores. Además, la probeta 1 durante el ensayo parece no haber estado alineada correctamente. Otra anomalía a destacar es la pendiente descendiente de estas gráficas a diferencia del resto de probetas ensayadas. Esto podría pensarse que es causado por el Onyx ya que su rigidez desciende a medida que avanza el ensayo de tracción como se ha visto antes. Sin embargo, en el rango de deformaciones en el que se mueven estas probetas es prácticamente constante y aunque no lo fuese, su impacto sería mucho menor. Es por ello que se desconce la fuente de esta anomalía. En la Figura 5-53 se observa el resultado de estos ensayos. Figura 5-51. Probetas medianas de FV una vez ensayadas Diseño y realización de ensayos 72 72 Tabla 22. Resultados experimentales tracción probetas pequeñas de FV 𝑿𝒕 [MPa] 𝑿𝒕 [MPa] sin Onyx 𝑬𝟏𝟏 [GPa] 𝑬𝟏𝟏 [GPa] sin Onyx P1 P 322,16 495,63 29,00 44,62 P2 P 513,55 632,66 31,55 38,83 P3 P 223,17 329,62 - - P4 P 450,60 705,72 - - P5 P 427,52 657,72 - - Media* 428,46 622,93 30,28 41,73 Desviación* Típica 79,65 90,12 1,80 4,09 Coeficiente de Variación (%)* 18,59 14,47 5,96 9,81 *Para el cálculo de estos valores no se ha tenido en cuenta la probeta nº 1. Figura 5-52. Diagrama Tensión-Deformación de las probetas pequeñas de FV 73 Puesta a punto y caracterización de probetas de material compuesto fabricadas con un sistema de impresión 3D 5.5.4 Efecto escala A continuación, se van a exponer los datos obtenidos referidos al efecto escala en materiales compuestos fabricados con la impresora Mark Two®. Para los estudios del efecto escala tridimensional solo se va a tener en cuenta la resistencia teórica de la fibra sin Onyx. • Probetas de fibra de carbono En la Tabla 23 y la Figura 5-54 se pueden observar los resultados obtenidos en estos ensayos para las probetas de fibra de carbono. Es importante destacar la escala en la que están representados ambos valores. La diferencia entre un valor y otro del eje de ordenadas es muy pequeña y en el eje de abcisas estas diferencias son enormes. Tabla 23. Volumen y resistencia media a la tracción de las probetas de FC Tipo de probeta Volumen de fibra ensayado [𝒎𝒎𝟑] Resistencia media [MPa] Pequeña FC 130 867,50 Mediana FC 1096 854,97 Grande FC 8992 911,76 Si se grafican estos 3 puntos en una escala logarítmica se obtiene: Figura 5-53. Probetas pequeñas de FV una vez ensayadas Diseño y realización de ensayos 74 74 Figura 5-54. Representación logarítmica de la resistencia de las probetas de FC frente a su volumen Como se puede observar en este caso los ensayos arrojan un aumento de la resistencia del 5,1 % al aumentar el volumen de la probeta más pequeña a la más grande. Sin embargo, esta tendencia no es constante a través de las 3 configuraciones, disminuyendo primero para la de tamaño medio. Si aplicamos la teoría de Weibull a los datos obtenidos: 𝑚=−𝑙𝑛(𝑉1 𝑉2) 𝑙𝑛(𝜎1 𝜎2)= −85,14 Se obtiene un módulo de -85. Este resultado no es concordante con esta teoría. Sin embargo, podría esperarse si se tienen en cuenta los resultados obtenidos por M. Kawai en el artículo [18]. En dicho artículo se encontró una relación positiva entre el volumen total de la probeta unidireccional de carbono y su resistencia. • Probetas de FV En la Tabla 24 y la Figura 5-55 se pueden observar los resultados obtenidos en estos ensayos para las probetas de FV. Es importante desacar que la diferencia entre un valor y otro del eje de ordenadas es muy pequeña y en el eje de abcisas estas diferencias son enormes. 75 Puesta a punto y caracterización de probetas de material compuesto fabricadas con un sistema de impresión 3D Tabla 24. Volumen y resistencia media a la tracción de las probetas de FV Tipo de probeta Volumen de fibra ensayado [𝒎𝒎𝟑] Resistencia media [MPa] Pequeña FV 130 657,72 Mediana FV 1096 698,83 Grande FV 8992 644,31 Figura 5-55. Representación logarítmica de la resistencia de las probetas de FV frente a su volumen Como se puede observar, en este caso los ensayos arrojan una reducción de la resistencia del 2 % al aumentar el volumen de la probeta más pequeña a la más grande. Sin embargo, esta tendencia no es constante a través de las 3 probetas, aumentando considerablemente para la de tamaño medio. Si se aplica la teoría de Weibull en este caso se obtiene un Módulo de Weibull de: 𝑚=−𝑙𝑛(𝑉1 𝑉2) 𝑙𝑛(𝜎1 𝜎2)=205,67 Cabe destacar una vez más el problema de los ensayos con las probetas muy pequeñas. Esta dificultad ha podido afectar negativamente a la resistencia de las probetas de este tamaño. Sin embargo, para los ensayos tamaño grande y mediano no existieron este tipo de problemas. Además, los modos de fallo entre los dos tamaños son idénticos, por lo que se va a realizar un estudio a parte teniendo en cuenta estos dos tamaños, cuyos resultados se pueden observar en la Figura 5-56. Cabe destacar de nuevo que la diferencia entre un valor y otro del eje de ordenadas es muy pequeña y en el eje de abcisas estas diferencias son enormes. Diseño y realización de ensayos 76 76 Figura 5-56. Representación logarítmica de la resistencia de las probetas mediana y grande de FV frente a su volumen En este caso se obtiene un Módulo de Weibull de: 𝑚=−𝑙𝑛(𝑉1 𝑉2) 𝑙𝑛(𝜎1 𝜎2)= 26,25 En este caso se observa una reducción en la resistencia del 7,8 %, un efecto considerablemente más marcado que el anteriormente observado con el conjunto de las tres probetas. Si se aplica la teoría de Weibull en este caso se obtiene un Módulo de Weibull de 26,25. Este resultado es el primero concordante con el comportamiento observado por M.R. Wisnom en 1999 [34]. 77 Puesta a punto y caracterización de probetas de material compuesto fabricadas con un sistema de impresión 3D Capítulo 6: RECOMENDACIONES Y FALLOS DE IMPRESIÓN En este apartado se van a describir los errores más importantes ocurridos con la impresora durante el desarrollo del trabajo fin de grado. Algunos de los errores ya se han descrito, pero se indagará más en ellos. • Fallo de una pieza del extrusor Durante la impresión de una de las probetas se atascó la fibra dentro de la boquilla del cabezal de impresión. Esto provocó una desconexión entre tubo pieza del cabezal de impresión, provocando que la fibra no pudiese extruirse. Al no porder salir por el cabezal comenzó de salir por la parte superior de la impresora. Este fallo se dio cuando estaba trabajando la impresora sola y la fibra se enrolló dentro de esta como se ve en la Figura 6-1 y la Figura 6-2. Para arreglarlo momentáneamente se pegó el tubo a la pieza de nuevo, pero es necesario su sustitución. El precio de esta pieza ronda los 70 € +IVA. Además, al ser una pieza prioritaria hubo que esperar más de 4 meses para recibirla. Por ello se recomienda tener al menos una de cada pieza de repuesto que se nombra en el manual de impresión. Figura 6-2. Desprendimiento del tubo del cabezal de impresión Figura 6-1. Fallo de la impresora al separarse el cabezal el tubo del cabezal de extrusión. Recomendaciones y Fallos de Impresión 78 78 • Onyx húmedo Tras el cambio de un rollo de Onyx por otro se comenzó a acentuar un problema que ya acarreaba la impresora con anterioridad. Cuando la impresora dejaba de imprimir Onyx, ya sea porque estaba cambiando de fibra a Onyx, de una pieza a otra o de capa, aparecían unos hilos de Onyx tanto en la pieza como en la cámara de impresión. Este problema se acentuó y en aquel momento incluso cuando no se estaba imprimiendo Onyx el cabezal comanzaba a gotear cómo se ve en la Figura 6-3. Esto afectaba muy negativamente a las piezas, ya que podían aparecer numerosas inclusiones, fallos de la deposición de fibra etc. Era muy importante el arreglo de este problema, ya que evitaba que se puedan fabricar piezas de gran tamaño y obliga a estar pendiente de la impresora constantemente durante la impresión. Figura 6-3. Hilos y defectos depositados por la máquina a causa del plástico mojado Se ha comunicó el problema con el servicio técnico de Markforged®, y se ha determinado que el origen del fallo era el plástico mojado. Parece ser que la bolsa sellada dónde venía el polímero en el último pedido tenía un pequeño agujero, según comentan aquellas personas que lo recibieron, por donde muy probablemente haya entrado humedad. Es muy importante por tanto asegurar que el embalaje del plástico en el que vienen las bobinas este en perfectas condiciones a la llegada de este para tener la certeza que el Onyx no esté mojado. • Delaminación de la capa externa de Onyx Durante la fabricación de las probetas con refuerzo se han producido numerosos problemas de delaminaciones de la capa externa de Onyx, cómo se muestra en la Figura 6-4. Este hecho, aunque no afecte muy significativamente a las propiedades mecánicas de las piezas fabricadas, les da un acabado muy pobre y una variabilidad dimensional muy grande. Es por ello que se recomienda dejar las 4 capas de superficie de Onyx recomendadas por Eiger en la mayoría de las aplicaciones. Es importante destacar que este problema suele aparecer en la capa de Onyx en contacto con la cama de impresión, por lo que es muy importante asegurarse de no dañar el fino plástico con la espátula a medida que se retira la pieza de la cama. 79 Puesta a punto y caracterización de probetas de material compuesto fabricadas con un sistema de impresión 3D • Efecto dominó Durante el transcurso de este trabajo en múltiples ocasiones y sin la intervención de ningún fallo mecánico de la máquina, la impresora ha errado en su impresión. Este error en muchas ocasiones no se aísla solo a una zona de la pieza. A medida que este error deforma la pieza, desplaza el cabezal de impresión y acumula una gran cantidad de errores nuevos generando un efecto dominó. En cuestión de minutos esto puede arruinar no solo la pieza dónde se originó el error, si no todas las piezas que se estén imprimiendo en ese momento como ocurrió en la Figura 6-5. • Deformaciones residuales severas en las probetas de fibra de vidrio Como ya se ha visto con anterioridad, todas las probetas de fibra de vidrio tienen deformaciones residuales. En ciertos casos estas son muy importantes, como se ve en la Figura 6-6. Se observa que este efecto aumenta a medida que se incrementa la cantidad de fibra usada. Este fenómeno no se ha visto solo en las probetas estudiadas en este trabajo. A medida que se fabricaban estas probetas otra persona del departamento también estaba imprimiendo piezas con un refuerzo de fibra de vidrio. Estas piezas, a pesar de tener un refuerzo de fibra de vidrio mucho más ligero también tenían deformaciones residuales. Figura 6-4. Delaminaciones de la capa de Onyx en una probeta de fibra de vidrio Figura 6-5. Error grave de impresión generado por un efecto dominó Referencias 86 86 tensile and compressive testing of unidirectional composites,” Compos. Part A Appl. Sci. Manuf., vol. 91, pp. 436–447, 2016, doi: 10.1016/j.compositesa.2016.07.021. [20] M. R. Wisnom and J. W. Atkinson, “Reduction in tensile and flexural strength of unidirectional glass fibre-epoxy with increasing specimen size,” Compos. Struct., vol. 38, no. 1–4, pp. 405–411, 1997, doi: 10.1016/S0263-8223(97)00075-5. [21] A. Towse, K. Potter, M. R. Wisnom, and R. D. Adams, “Specimen size effects in the tensile failure strain of an epoxy adhesive,” J. Mater. Sci., vol. 33, no. 17, pp. 4307–4314, 1998, doi: 10.1023/A:1004487505391. [22] A. A. Griffith, “The phenomena of rupture and flow in solids,” 1920. [23] R. . B. Pipes and N. J. Pagano, “Interlaminar Stresses in Composite Laminates - An Approximate Elasticity Solution,” J. Appl. Mech., vol. 41, no. 3, pp. 668–672, 1974. [24] Markforged, “Desktop Printer User Guide,” 2019. 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