Estudio de colabilidad de aluminio con modelos realizados en PLA por impresión 3D

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(1)UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES. PROYECTO FIN DE CARRERA. ESTUDIO DE COLABILIDAD DEL ALUMINIO CON MODELOS REALIZADOS EN PLA POR IMPRESIÓN 3D. Carolina Bustos Nuevo Ingeniería Industrial Especialidad Materiales Tutor: Benito del Río López Septiembre 2016.

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(3) AGRADECIMIENTOS. Quiero agradecer principalmente a mi familia el apoyo que he tenido en todos estos años de carrera, en especial a mis padres, sin ellos no hubiera sido posible que yo hubiera llegado hasta aquí. Sus ánimos y energías siempre han sido el motor para que continuara y no perdiera la ilusión y la confianza. “La mejor herencia que te vamos a dejar son unos estudios” y, “Valiente y al toro” son parte de mi vida académica. A mis hermanos, que les quiero con locura, por su paciencia y sus ánimos.. A mi tutor Benito del Río, por la ayuda que me ha prestado en los años de carrera y en particular en el proyecto fin de carrera. Por su facilidad para trabajar en equipo y la confianza que ha depositado en mí para ciertas decisiones que se plantearon durante el proyecto. Además de los conocimientos que me ha ido transmitiendo a lo largo del proyecto. Gracias.. Y a Javier y a Jesús, sin ellos este proyecto no hubiera sido lo mismo. Principalmente por la sabiduría y la experiencia de tantos años de trabajo, y segundo, porque el trabajo día a día en la fundición y el apoyo moral han dejado una huella en mí. Os estaré siempre agradecida.. CAROLINA BUSTOS NUEVO. Página 3 de 184.

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(5) ESTUDIO DE COLABILIDAD DEL ALUMINIO CON MODELOS REALIZADOS EN PLA POR IMPRESIÓN 3D. RESUMEN EJECUTIVO El objetivo de este proyecto fin de carrera desarrollado en el Departamento de Siderurgia, es la obtención de piezas únicas para prototipado o de muy pequeña tirada por el proceso de fundición con modelos perdidos en polímeros fabricados por impresión 3D, un proceso de fundición consiste, básicamente, en el vertido del metal líquido en un molde con la geometría de la pieza a fabricar en su interior y su posterior solidificación y enfriamiento. Para lograr dicho fin se mantendrá el sistema tradicional de moldeo (moldeo en verde y molde químico). La variante principal de este proyecto es la sustitución de los moldes creados a partir de cualquier material con posibilidad de ser mecanizado (metal, maderas, resinas, ceras, etc.) con el coste de matricería que conlleva y utilizar la tecnología 3D. En este estudio se procede a la unión de ambas tecnologías, impresión 3D y proceso de fundición, fabricando un modelo en un polímero mediante una impresora 3D, La fabricación de los modelos, se realiza por el sistema de deposición de material a partir de una bobina de filamento de diversos polímeros. La impresión 3D da la posibilidad de realizar un modelo con una estructura interna no maciza. A su vez, esta estructura interna, le confiere al modelo diferentes densidades, hecho relevante en el proyecto ya que un requisito escogido es que se use la menor cantidad de polímero posible, consiguiendo así una nueva forma de realizar piezas únicas para prototipos o de pequeña tirada a menor coste y con la mejor calidad posible, ya que al arder el polímero se generarán gran cantidad de gases que deberán ser evacuados del molde. El material escogido en un principio para la pieza final es una aleación de aluminio Al-12%Si por su colabilidad y fácil manejo y temperatura de fusión, pudiéndose emplear otros tipos de materiales en siguientes proyectos. El PLA es el material escogido para la impresión 3D después de un análisis con distintos materiales existentes en el mercado de fácil acceso por parte del usuario de impresoras 3D, con el objeto de encontrar un polímero adecuado para la realización del modelo. Dentro de estos análisis realizados a los diferentes polímeros se ha sometido a cada material seleccionado para la construcción del modelo a una serie de ensayos de caracterización entre los que se incluyen: ensayos de velocidad de combustión, emisión de gases, generación de residuos y menor impacto medioambiental. Así mismo durante el proceso de caracterización del polímero seleccionado, se desarrolla el estudio de un amplio abanico de modelos con la intención de encontrar el punto límite de viabilidad para obtener piezas por el proceso de fundición tanto por tamaño como geometría y la sustitución de la técnica de moldeo por otras como el molde de poliestireno expandido, sustituyendo el poliestireno por el modelo en polímero.. CAROLINA BUSTOS NUEVO. Página 5 de 184.

(6) RESUMEN EJECUTIVO. Página 6 de 184. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(7) ESTUDIO DE COLABILIDAD DEL ALUMINIO CON MODELOS REALIZADOS EN PLA POR IMPRESIÓN 3D. ÍNDICE 1. OBJETIVOS…………………………………………………………………….…….... 9. 2. INTRODUCCIÓN………………………………………………………………..……. 2.1. Impresión 3D……………………………………………………………………….. 2.2. Tipos de materiales para impresoras 3D…………………………………………... 2.3. Técnicas de moldeo………………………………………………………………... 11 11 23 26. 3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL………………………………………….… 3.1. Selección filamento 3D……………………………………………………………. 3.2. Selección de modelos y coladas…………………………………………………… 3.3. Obtención de piezas……………………………………………………………….. 3.3.1. Fabricación del modelo...……………………………………………............ 3.3.2. Moldeo en verde……………………………………………….…………… 3.3.3. Moldeo en arena química………………………………………….………… 3.3.4. Colada tradicional.…………………………………………………….......... 3.3.5. Colada de lavado.……….………………………………………………….. 3.3.6. Bebederos y mazarotas….………………………………………………….. 3.3.7. Limpieza de la pieza final.……………………………………………......... 3.4. Obtención de datos……………………………………………………………….. 3.4.1. Factor de llenado.…………………………………………………………… 3.4.2. Calidad superficial...………………………………………………………….. 33 33 38 43 43 47 51 53 56 58 59 60 60 61. 4. RESULTADOS……………………………………………………………….……….. 4.1. Medidas experimentales…………………………………………………………… 4.1.1. Factor de llenado.…………………………………………………………… 4.1.2. Calidad superficial...……………………………………………………........ 4.2. Análisis resultados…………………………………………………………………. 4.2.1. Análisis de la varianza de la variable llenado …………….…………………. 4.2.2. Análisis de la varianza de la variable llenado sin atípicos...…………………. 4.2.3. Análisis de la varianza de la variable llenado con interacciones……............ 4.2.4. Análisis de la varianza de la variable llenado frente al tipo de colada y número de pasadas………………………………………………………….. 4.2.5. Análisis de la varianza de la variable llenado frente al tipo de colada y número de pasadas con interacciones……………………………………….. 4.2.6. Análisis de la varianza de la variable calidad superficie superior frente al tipo de colada, tipo de arena y lado ………………………………………… 4.2.7. Análisis de la varianza de la variable calidad superficie lateral frente al tipo de colada, tipo de arena y lado ………………………………………………. 4.2.8. Análisis de la varianza de la variable calidad superficie inferior frente al tipo de colada, tipo de arena y lado ……………………………………………….. 63 63 63 69 71 71 76 80. CAROLINA BUSTOS NUEVO. 81 84 85 87 88. Página 7 de 184.

(8) ÍNDICE. 4.2.9. Análisis de la varianza de la variable calidad aristas frente al tipo de colada, tipo de arena y lado………………………………………………………….. 90 4.2.10. Análisis de la varianza de la variable calidad superficie superior frente a lado ………………………………………………………………………….. 92 4.2.11. Análisis de la varianza de la variable calidad superficie lateral frente a lado …………………………………………………………………………... 94 4.2.12. Análisis de la varianza de la variable calidad superficie inferior frente a lado …………………………………………………………………………... 95 4.2.13. Análisis de la varianza de la variable calidad aristas frente a lado…………. 97 4.2.14. Regresión múltiple lineal de la variable llenado frente a lado……………… 98 4.2.15. Regresión múltiple lineal de la variable llenado frente a raíz cuadrada del lado………………………………………………………………………….. 101 5. CONCLUSIONES……………………………………………………………………... 105. 6. OBJETIVOS FUTUROS E IMPACTO…………………………………………….... 107. 7. PLANIFICACIÓN TEMPORAL DEL PROYECTO Y PRESUPUESTO…….….. 7.1. Estructura temporal del proyecto (EDP)……………………………………..…….. 7.2. Diagrama de Gantt…………………………………………………………………. 7.3. Presupuesto………………………………………………………………………... 109 109 109 113. 8. ÍNDICE DE FIGURAS…………………………………………………………….….. 115. 9. ÍNDICE DE TABLAS…………………………………………………………….……. 119. 10. BIBLIOGRAFÍA………………………………………..……………………………. 123. 11. ANEXO I: PATRÓN SUPERFICIES…………………………………….…………. 125. 12. ANEXO II: PATRÓN ARISTAS……………………………………….……………. 126. 13. ANEXO III: ANÁLISIS PIEZAS OBTENIDAS……………………….……............ 127. Página 8 de 184. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(9) ESTUDIO DE COLABILIDAD DEL ALUMINIO CON MODELOS REALIZADOS EN PLA POR IMPRESIÓN 3D. 1. OBJETIVOS Este proyecto surge como continuación de un proyecto anterior, en el que tenía como finalidad investigar la posibilidad de desarrollo de una técnica de fundición en la que se englobaran estos dos puntos:  El proceso de fundición en moldes y modelos perdidos.  Las impresoras 3D, para la fabricación del modelo perdido para el proceso de fundición.. El proyecto se realizó de manera conjunta entre la Unidad Docente de Siderurgia y la División de Ingeniería de Máquinas (DIM) en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la Universidad Politécnica de Madrid. El objetivo fundamental fue la obtención de un nuevo proceso de fundición en el que se sustituyera el modelo de poliestireno expandido por un modelo fabricado en 3D mediante PLA. Este modelo se realizó con distintas densidades para comprobar cómo afectaba este parámetro en el proceso de fundición y los resultados obtenidos dieron como solución que los modelos de densidad cero, es decir, sin relleno, huecos, son los que conseguían mejor calidad de la pieza final de aluminio Al-12%Si, sin restos del material PLA ya que éste se había eliminado durante la colada.. Con una geometría fija, se van a ir variando ciertas variables con el fin de observar cómo se comporta el PLA y el resultado final de la pieza de aluminio. Parámetros a tener en cuenta en este proyecto:     . . El modelo obtenido en la impresora 3D será de densidad cero, es decir, hueco, y se modificarán el número de pasadas o capas que tendrá la superficie de éste. Geometría del modelo predeterminada, de sección cuadrada, con el lado de su sección variable, dependiendo de los resultados obtenidos en cada colada. El número de mazarotas, y la posición de éstas en el modelo, en el proceso de fundición. La posición del sistema de alimentación en el modelo es fijo. Tipos de aglomerante utilizados: - Químico. - Verde (bentonita). La altura del sistema de alimentación y mazarotas es fijo.. Con este proyecto se busca una simplicidad en el proceso de obtención de piezas únicas o pequeñas series, gracias a la sustitución del poliestireno expandido por el polímero PLA, CAROLINA BUSTOS NUEVO. Página 9 de 184.

(10) OBJETIVOS. evitando de esta forma matrices, y costes en la elaboración del modelo. La finalidad es conseguir replicar una pieza a nivel de desarrollo o prototipo a bajo coste. El proyecto se centrará en piezas de pequeño tamaño, ya que un inconveniente que estará presente a lo largo del proyecto es la formación de los gases, que, debido a que el modelo tiene poca sección, es difícil el escape de los gases producidos durante el proceso de colada del aluminio. Además, se diseña una geometría en particular (figura 1.1), de sección cuadrada, con tres codos, para ver cómo actúa el caldo al entrar en el molde y al pasar por cada codo, y la definición de las aristas a lo largo de la pieza. Las piezas grandes no tienen tantos inconvenientes, ya que para un modelo con densidad de relleno cero, y el mismo número de pasadas en la capa superficial, la relación volumen del PLA a eliminar/volumen de la pieza propuesto será menor para la pieza más grande, y los gases producidos durante la colada podrán evacuarse mejor durante el proceso, sin provocar, entre otras, el enfriamiento del material añadido, y por consiguiente una pieza final incompleta, además de un acabado superficial deficiente.. Figura 1.1: Geometría de la pieza.. Página 10 de 184. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(11) ESTUDIO DE COLABILIDAD DEL ALUMINIO CON MODELOS REALIZADOS EN PLA POR IMPRESIÓN 3D. 2. INTRODUCCIÓN Este proyecto surge como continuación a otro proyecto de investigación en el que tenía como objetivo la obtención de un nuevo proceso de fundición en el que se sustituyera el modelo de poliestireno expandido, por un modelo fabricado en 3D mediante PLA. A partir del modelo de PLA obtenido por impresora 3D, se utilizaron distintas aleaciones con diferentes puntos de fusión con el mismo proceso de fundición para comprobar si este factor era influyente. Se desecharon las aleaciones de alto punto de fusión para este tipo de técnica, debido a la gran producción de gases durante el proceso de fundición. También se ensayó con modelos de diferentes densidades y estructuras internas, llegando a la conclusión de que era preferible un modelo hueco para conseguir la eliminación del material en el proceso de colada. En los ensayos realizados se tuvo en cuenta las alturas de los sistemas de alimentación en función de la pieza a fundir.. 2.1.. Impresión 3D:. La impresión en tres dimensiones es el proceso de unir materiales para hacer objetos a partir de un modelo digital, normalmente poniendo una capa encima de otra, por contraposición a las metodologías de fabricación sustractivas, tales como el mecanizado tradicional. Sin embargo, este término se asocia más bien a la impresión hecha en casa o en comunidad, mientras que si se aplica en tecnologías de producción y a cadenas de suministro, se suele utilizar el término fabricación aditiva (Additive Manufacturing, AM, o Rapid Manufacturing) [3]. La fabricación aditiva según la ASTM (American Society for Testing and Materials) se define como “proceso por el que un modelo que ha sido generado previamente por ordenador usando un programa 3D CAD, puede ser fabricado directamente sin necesidad de planificación depositando material capa a capa, sólo donde es requerido” [1]. La fabricación aditiva tiene su origen en el año 1986 con las primeras patentes y desarrollos por compañías como 3DSystems, Stratasys o el propio MIT. Como se puede observar son muchos los años que han transcurrido hasta que el concepto de “Impresión 3D” ha llegado al público en general, a pesar de no haber cambiado los conceptos tecnológicos que subyacen en esta idea, debido a las patentes existentes [4]. En 2004 existían diferentes modelos de impresoras 3D comerciales. En ese momento, las dos compañías líderes, Dimension y Z Corporation, tenían más de 10 modelos en el mercado. La estimación de las ventas para ese año ascendió a 56 millones de euros (un incremento de casi el 100% con respecto al año 2003). En 2005, los precios de las máquinas más sofisticadas estaban entre los 75.000 hasta los 375.000 euros, dependiendo de la. CAROLINA BUSTOS NUEVO. Página 11 de 184.

(12) INTRODUCCIÓN. técnica empleada. No obstante, sacaron al mercado alguna máquina más pequeña que rondaba los 18.500 euros, aunque los costes de impresión eran superiores [1]. Con este panorama en escena, la impresión 3D se encontraba muy limitada a la industria y no tenía la difusión que tiene actualmente. El pionero en la liberación de la impresión 3D y, en concreto, del Modelado por Deposición Fundida (FDM) fue el ingeniero mecánico Adrian Bowyer, de la Universidad de Bath (Reino Unido). Adrian Bowyer inició en 2004 el proyecto RepRap (Replicating Rapid Prototyper), iniciativa que sirvió para desarrollar máquinas de modelado por deposición fundida a partir de software libre (licencia GNU GPL), destinadas al prototipado rápido. La principal característica que posee es que puede generar las partes necesarias para construir otra máquina igual que ella [5]. Adrian Bowyer denominó a esta técnica aditiva empleada por estas máquinas con el nombre de Fused Filament Fabrication (FFF), ya que Stratasys Inc. poseía la patente que describía este mismo proceso denominado Fused Filament Deposition (FDM) hasta el año 2009. En 1990 se empieza a aplicar la fabricación aditiva para obtener patrones de fundición (Rapid Casting); en 1995, para obtener herramientas de producción, especialmente moldes de inyección (Rapid Tooling), y en el 2000, para obtener piezas de producción (Rapid Manufacturing). A partir de aquí, el desarrollo ha sido muy rápido, gracias también a la expiración de diferentes patentes. Si entre 1984 y 2011 se vendieron en el mundo 45.000 impresoras 3D, en 2012 se vendieron el mismo número en un solo año [3]. Hoy en día y según diversas fuentes que se expondrán a continuación, existen empresas que comienzan a darse cuenta de que la impresión 3D llegará a sustituir por completo los métodos tradicionales de fabricación. Algunos de los ejemplos que ilustran lo expuesto anteriormente y, en concreto para el proceso de fundición, son [1]: . . . 3Dealise: Es una empresa con sede en Londres que, con la impresora 3D Exone S-Max, es capaz de crear moldes que pueden ser utilizados para la colada de objetos metálicos de gran tamaño, lo cual reduce los pasos del proceso tradicional mediante la eliminación de la necesidad de un modelo. La impresión 3D de arena permite una gran libertad en el diseño de productos, ya que el proceso tiene la capacidad de reducir en gran medida los residuos, ahorrar energía y tardar mucho menos tiempo en comparación con los métodos más tradicionales de fabricación. 3Dprinter: Poseen impresoras de arena que se utilizan para la fabricación de moldes para el proceso de fundición. Se puede observar la realización de este proceso directamente en la referencia. 3DSystems: Emplean impresoras 3D de arena con las que fabrican moldes y machos a partir de un archivo digital, de manera que se elimina el paso de fabricación de patrones propio de los procesos de fundición en arena. Página 12 de 184. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(13) ESTUDIO DE COLABILIDAD DEL ALUMINIO CON MODELOS REALIZADOS EN PLA POR IMPRESIÓN 3D. . . tradicionales. También se puede utilizar para crear moldes en arena para metales no ferrosos, siendo una mezcla de arena de fundición, yeso y otros aditivos. Entresd: Se trata de una empresa dedicada a las impresoras 3D. En alguna consulta hecha por los usuarios se puede encontrar que es posible realizar moldes para hacer piezas de metal. En este caso, el procedimiento que se sigue está basado en el proceso de fundición a la cera perdida, sustituyendo la cera por PLA o ABS. Nijhuis: Es un fabricante de bombas holandés, que gracias a Voxeljet, (fabricantes alemanes de moldes de arena con impresoras 3D, empleados en el proceso de fundición de metales), fabrica carcasas para bombas y turbinas con un peso de hasta 800 kg. Para ellos, la fabricación convencional de prototipos requiere entre tres y cuatro meses, desde la fase de diseño hasta la consecución de la pieza final. Por norma general, pasan de dos a tres meses hasta la fabricación del modelo de madera y, luego, aún son necesarios algunos días más para crear el molde de arena. Todo lo contrario que en la impresión 3D, donde los tiempos de ejecución son notablemente más reducidos. No hay ningún obstáculo, incluso las formas más complejas, con todo nivel de muescas, se pueden reproducir con absoluta fidelidad y precisión.. Los materiales con los que podemos realizar la impresión 3D han avanzado más rápido que la tecnología en sí. Se estima que para el año 2020 el 80% de las piezas fabricadas por procesos aditivos serán producto final. Un ejemplo de este hecho es la empresa de construcción de aeronaves EADS que suele usar impresoras 3D para convertir el polvo de titanio en su producto final con alturas de capa de 20 a 30 micras. Con la llegada de la impresión 3D al público general, se ha convertido en una tecnología que revolucione la forma de entender la logística y la producción. Hoy en día existen plataformas en las que cualquier usuario es capaz de descargarse un archivo y crear mediante su impresora la pieza que necesite. Cada vez hay más impresoras 3D en los hogares, rodando cantidades de 500 a 1500 euros, precio bastante inferior a las impresoras del sector industrial con precios desde 15.000 euros hasta un millón de euros para el caso de las de titanio más sofisticadas. Según la consultora Canalys, en 2014 se movieron 3.300 millones de dólares en concepto de máquinas de impresión 3D, los materiales y soluciones para este tipo de fenómeno. Para que el mundo de la impresión 3D se adapte y amplíe su rango de aplicación se tendrá que enfrentar en los próximos años a varios retos. Mejorar el control del proceso es un aspecto fundamental para con ello incrementar la precisión y la fiabilidad de la pieza resultante. Imprimir piezas con una tolerancia más ajustada ya que hay trabajos que requieren de micras de precisión. La obtención de un acabado que permita usar a la pieza como producto final. Y, por último, uno de los mayores retos a los que se enfrentan es la. CAROLINA BUSTOS NUEVO. Página 13 de 184.

(14) INTRODUCCIÓN. certificación y estandarización de las piezas para que puedan contar con los mejores estándares de calidad [4]. . Fabricación aditiva:. Según se describe en un documento de COTEC [6], la Fabricación Aditiva o Additive Manufacturing (AM), consiste básicamente en manipular material a escala micrométrica y depositarlo de forma muy precisa para construir un sólido. Con este tipo de fabricación se consigue reproducir cualquier geometría, prescindir de los utillajes y la inmediatez en la respuesta a la demanda cambiante del consumidor, lo que ya significa para muchos una revolución industrial en la fabricación ya que se pasa a fabricar por deposición controlada de material, capa a capa, aportando exclusivamente allí donde es necesario, hasta conseguir la geometría final que se persigue, en lugar de arrancar material (mecanizado, troquelado…) o conformar con ayuda de utillajes y moldes (fundición, inyección, plegado…). Los procesos de fabricación de piezas se clasifican de la siguiente forma: . . . Tecnologías conformativas: utilizan preformas para obtener la geometría requerida (inyección de plástico y metales, PIM, sinterizado, colada al vacío, RIM, electroforming…). Tecnologías sustractivas: obtienen la geometría requerida sustrayendo material de una geometría mayor (mecanizado, electroerosión, corte por agua, corte por láser…). Tecnologías aditivas (AM): obtienen la geometría añadiendo material a partir de geometría virtual, sin uso de preformas (conformativas) y sin sustraer material (sustractivas).. Son muy diversas las técnicas de aplicación de AM (como la estereolitografía o el sinterizado selectivo) que permiten obtener piezas directamente de un archivo CAD 3D, «imprimiéndolas» de forma totalmente controlada sobre una superficie. Así, se distinguen dos tipos de estas tecnologías: . . Tecnología de prototipado rápido o Rapid Prototyping (RP), si lo que se pretende fabricar es un prototipo, que se define como una pieza que sirve para validar o verificar un nuevo diseño, que posteriormente se llevará a producción, probablemente, con tecnología no aditiva como, por ejemplo, un mecanizado. Tecnología de fabricación directa o Rapid Manufacturing (RM), cuando se consigue la pieza final y el producto es plenamente funcional.. Inicialmente muchas de estas tecnologías fueron realizadas para hacer prototipos, y han evolucionado hacia técnicas de fabricación de productos plenamente funcionales debido al desarrollo de nuevos materiales de características mejoradas.. Página 14 de 184. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(15) ESTUDIO DE COLABILIDAD DEL ALUMINIO CON MODELOS REALIZADOS EN PLA POR IMPRESIÓN 3D. Para hacerse una idea del número y tipo de tecnologías de fabricación rápida se muestra a continuación una ilustración representativa:. 19 Figura 2.1: Esquema de tecnologías rápidas de fabricación clasificadas como aditivas y no aditivas. [6].. Con sus diferentes denominaciones, tipos y técnicas, las tecnologías AM, hoy en día, aún no se han implantado de una forma extensa en la industria, en parte porque se deben resolver algunas limitaciones del propio proceso, porque también es bastante desconocida para los potenciales usuarios, que no son conscientes de las enormes ventajas que puede aportar frente a otros procesos, en muchos nichos de mercado. . Ventajas y limitaciones del proceso AM:. Las principales características que distinguen el proceso de fabricación de sólidos por adición de capas de material (AM) de cualquier otro proceso de fabricación industrial y que le confieren enormes ventajas competitivas [6]. Se pueden resumir en dos y no encarecen el proceso: . Complejidad geométrica. Ciertas características son retos que para los métodos convencionales (sustractivos y conformativos) están resueltos con aproximaciones, procesos de muy alto coste o por medio de ensamblajes. Sin embargo, para el AM propiedades como un vaciado interior, formas irregulares o la reproducción de la naturaleza misma, son propiedades muy poco relevantes a la hora de fabricar una pieza.. CAROLINA BUSTOS NUEVO. Página 15 de 184.

(16) INTRODUCCIÓN. . Personalización. Un gran reto es la personalización de productos que está cerca de conseguirse gracias a la fabricación aditiva, ya que se pueden fabricar productos sin penalizar el coste, independientemente de si las piezas tienen que ser iguales o distintas.. Otras ventajas son la posibilidad de obtener productos ligeros, ergonómicos de que se adaptan con facilidad a la biomecánica humana, multimateriales, obtención de distintos mecanismos integrados en una misma pieza, y sean asociadas al proceso de ejecución como al producto de fabricación. Estas ventajas expuestas, permiten reducir los errores de montaje y de coste de inversión en utillajes, así como conseguir series de producción que sean cortas o incluso unitarias. Por otro lado, existen algunas limitaciones debidas precisamente a que son tecnologías relativamente nuevas y en desarrollo, y no se han implementado de manera generalizada en todos los sectores [6]. .  . . Coste y disponibilidad de materiales. Se pueden trabajar con materiales tanto metálicos como no metálicos, pero la gama presente para las técnicas aditivas es inferior a la disponible en métodos convencionales. Además, el coste del material por unidad de medida suele ser superior. Falta de control del proceso de fabricación. No se controlan todos los parámetros del proceso (especialmente para piezas metálicas). Acabado superficial y tiempos de fabricación. Estos dos factores están muy relacionados pues al ser piezas fabricadas por adición, este hecho afecta mucho a la superficie. Una mejora del acabado superficial pasa por reducir el espesor de la capa de material, lo cual influye directamente en el tiempo de fabricación final. Tamaño limitado de las piezas. Para hacerse una idea, actualmente solo se pueden conseguir piezas de plástico de hasta 2m y si son metálicas de 50 cm de lado tomando como referencia un cubo.. No obstante, todas estas limitaciones se presentan como retos para la investigación y el desarrollo tecnológico e innovación. Actualmente, numerosos equipos de investigación y empresas abordan estos retos que presenta esta prometedora tecnología.. . Tecnologías de impresión 3D: Los procesos de fabricación aditiva parten todos ellos de un modelo en 3D diseñado por ordenador que normalmente tiene la extensión STL. Este archivo también puede ser extraído de un escáner en 3D, lo que favorece la reproducción de piezas. El archivo STL contiene la información geométrica de la pieza representada en un mallado sencillo. Este. Página 16 de 184. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(17) ESTUDIO DE COLABILIDAD DEL ALUMINIO CON MODELOS REALIZADOS EN PLA POR IMPRESIÓN 3D. archivo se imprimirá posteriormente, en capas 2D discretas. En general, se encuentran diferentes tecnologías para la realización de una pieza mediante impresión 3D. Proceso ASTM (Proceso) Material extrusion (Extrusion). Direct Energy Deposition (Direct Energy Deposition) Powder Bed Fusion (Solidification of Powder) Binder Jetting (Solidification of Powder) VAT PhotoPolymerization (PhotoPolymerization) Material Jetting (PhotoPolymerization) Sheet Lamination (Sheet Lamination). Descripción. Tecnología (ejemplo) Un material es dispensado y Fused Deposition dispuesto sobre una superficie de Modeling (FDM) manera selectiva a través de un inyector. Una fuente de energía derrite el Electron Beam material al tiempo que es Direct depositado. Manufacturing (EBDM) Una fuente de energía funde Selective Laser selectivamente regiones de Sintering (SLS) material en polvo. Un agente de unión es 3D Printing depositado de manera selectiva para unir el polvo. Un fotopolímero líquido es Stereolithography curado gracias a un foco de luz. (SLA). Pequeñas gotas de material son Polyjet Process depositadas de manera selectiva. Diferentes capas de material se Laminated Object van depositando en estado Manufacturing fundido. (LOM). Tabla 2.1: Categorías de fabricación aditiva definidas por la ASTM. [7].. En la tabla 2.1 se sigue la clasificación ofrecida por la ASTM (American Society for Testing and Materials) y separaremos las diferentes tecnologías en 7 tipologías diferentes. . Material Extrusión: En estos procesos el material que está contenido en un depósito es empujado a través de un inyector para ir depositando capa a capa el material que conformará la pieza. La consistencia que debe poseer el material que está siendo extruido es semisólida, para que la impresión salga de una manera efectiva. Por otro lado, el material debe también solidificar más o menos con cierta velocidad y en. CAROLINA BUSTOS NUEVO. Página 17 de 184.

(18) INTRODUCCIÓN. conjunto con las capas anteriores, para que puedan soportarse las capas posteriores. De esta manera se consiguen estructuras con mucha más consistencia (figura 2.2). La máquina que imprime con esta tecnología debe ser capaz de moverse en el plano horizontal extruyendo el material al tiempo que es capaz de cortar el flujo de material. Una vez que la capa está concluida, la estructura se mueve hacia arriba o baja la base permitiendo la creación de la nueva capa de material.. Figura 2.2: Proceso Material Extrusión. [4].. Hay dos formas en las que se puede realizar este proceso: . . . Realizar el control del estado del material a través de la temperatura. El material fundido por la temperatura se extruye a través del inyector, uniéndose con el material previamente depositado antes de su endurecimiento. Esta forma es la más común. Mediante un cambio químico que genere la solidificación. En estos casos, el proceso común de impresión se completa con una reacción con el aire, un agente activador del endurecimiento, o simplemente un proceso de secado que permite la unión de las capas entre sí. Esta segunda forma de realizar la impresión se emplea comúnmente en casos en los que se requiere cierta biocompatibilidad.. Directed Energy Deposition: Esta tecnología se basa en la deposición de material que se funde al tiempo que es depositado con un láser u otra fuente de energía, por lo que estas máquinas tienen un funcionamiento similar a las máquinas de deposición fundida. Sin embargo, en deposición fundida el material se funde en un inyector y en esta tecnología el polvo se funde a medida que se deposita en la pieza como se observa en la figura 2.3.. Página 18 de 184. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(19) ESTUDIO DE COLABILIDAD DEL ALUMINIO CON MODELOS REALIZADOS EN PLA POR IMPRESIÓN 3D. Figura 2.3: Detalle de un proceso de directed energy deposition. [4].. En el caso de realizar salientes, estas máquinas requieren un material de soporte o un sistema de 5 ejes que le permita depositar el material en múltiples direcciones. Dada la complejidad, este tipo de procesos no se emplean demasiado para la fabricación de una pieza completa, sino que se emplean para añadir componentes a una pieza ya fabricada o para reparar partes de una pieza dañada. . Powder Bed Fusion: Se fabrican piezas mediante la fusión de finas capas de material polimérico o metálico que superpuestas crean la pieza final. El primer proceso desarrollado usando esta tecnología fue llevado a cabo por la Universidad de Austin y se conoce como Sinterizado Láser Selectivo, SLS (Selective Laser Sintering). Este proceso se usa en múltiples ocasiones para producto final gracias a su alta eficacia y buen acabado. El material de partida es polvo, metálico o polimérico, fundido mediante un láser. Estos sistemas tienen una cámara central donde se crea la pieza y depósitos de material a ambos lados. Un rodillo extiende una fina capa de material sobre la zona de trabajo y uno o varios láseres se mueven sobre la superficie con el patrón necesario para fundir el material. Al igual que con el binder jetting, el material que no se utiliza, permanece en la cámara para eliminarse más tarde. El rodillo vuelve a depositar una fina capa de material y los láseres vuelven a crear el patrón, fundiendo una capa con otra. Este proceso queda esquematizado en la figura 2.4.. CAROLINA BUSTOS NUEVO. Página 19 de 184.

(20) INTRODUCCIÓN. Figura 2.4: Proceso Powder Bed Fusion. [4].. Una de las ventajas principales es que no es necesario ningún material de soporte para construir formas complejas, ya que el material que se funde sirve como soporte. De igual modo, no es necesario ningún proceso de curado posterior. Una de las principales desventajas es que la pieza final es muy porosa y suele tener una textura rugosa. . Binder Jetting: Las máquinas que usan esta tecnología -desarrollada por el MIT en 1990- crean las piezas mediante la inyección de un agente endurecedor o agente ligante sobre material en polvo. El material en polvo puede ser metal o un polímero. Este material se deposita en forma de una fina capa sobre la superficie de trabajo. Una vez depositada la primera capa de material, la máquina recorre el patrón de la pieza inyectando el agente endurecedor donde es necesario. Finalizada la primera capa, se repite el proceso anterior creando más capas. La altura típica de capa en este tipo de máquinas es de 0,18mm.. Figura 2.5: Proceso de impresión por binder jetting. [4].. Todo el proceso se realiza en una cubeta llena de polvo, por lo que el material que no ha sido tratado con el agente endurecedor se mantiene inalterado y sirve de soporte para posteriores capas, como se observa en la figura 2.5. Esto permite Página 20 de 184. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(21) ESTUDIO DE COLABILIDAD DEL ALUMINIO CON MODELOS REALIZADOS EN PLA POR IMPRESIÓN 3D. una mayor libertad a la hora de realizar formas complejas, o sirve de soporte para la realización de matrices de piezas, maximizando así el uso de volumen de impresión. El único material que se añade es el agente endurecedor, lo cual permite que la velocidad de impresión sea mayor con respecto a otros métodos de fabricación aditiva que pueden llegar a tener velocidades 10 veces superiores. Otra ventaja significativa es que la impresión se puede realizar en diferentes colores, con lo que la gama de piezas que puede crear crece considerablemente. . VAT Photo-polymerization: Este proceso crea la pieza usando luz curando ciertas partes del fotopolímero que se encuentra en una cubeta de forma selectiva. El material empleado es un líquido, resinas curables con radiación o fotopolímeros. Aunque la mayoría de los fotopolímeros reaccionan a la radiación ultravioleta también se usan materiales que son sensibles a la luz visible. En la actualidad, en el mundo industrial se usan máquinas cuya tecnología es muy elevada y que usa diferentes tipos de radiación como puede ser rayos gamma, rayos x, haz de electrones o UV.. Figura 2.6: Proceso VAT- Photopolimerization. [4].. El proceso comienza por el curado de la primera capa de material en la zona superior de la cubeta de resina como se observa en la figura 2.6. Una vez terminado el proceso de curación de esa capa, la pieza asciende una cantidad,. CAROLINA BUSTOS NUEVO. Página 21 de 184.

(22) INTRODUCCIÓN. denominada altura de capa, y se vuelve a iniciar el proceso de curado. De este modo, la pieza va emergiendo de una cubeta de material líquido. . Material Jetting: Esta tecnología es la que está más cercana a la impresión 2D convencional. El proceso se realiza mediante la deposición de pequeñas gotas de material, generalmente fotopolímero, por medio de múltiples inyectores y el material se cura al estar en contacto con luz UV (figura 2.7). Algunos modelos de impresoras incluyen además del fotopolímero otro material que puede ser añadido como soporte y después retirado. Dicho material es, a veces, un polímero soluble en agua y basta con introducir la pieza en agua para retirarlo. La gama de tipos de material en este tipo de máquinas es muy extensa. Existen más rígidos, algunos con acabado tipo gomoso, transparentes y con múltiples colores. El desarrollo de este tipo de materiales ha llevado a la creación de un tipo de biopolímero compatible con el contacto prolongado con la piel o con mucosas [4].. Figura 2.7: Proceso Material Jetting. [9].. Para conseguir este tipo de impresiones y rango de materiales, la máquina dispone de dos materiales base de cuya mezcla se obtiene el material y se distribuyen las cantidades por sus múltiples inyectores. A este tipo de materiales se les suele denominar “Materiales Digitales”. Una de las principales ventajas de esta tecnología es que nos permite hacer un prototipo de diferentes materiales muy cercano al resultado final en una sola impresión, como puede ser una rueda de un coche con un material más rígido para la llanta y un material gomoso para la cubierta.. Página 22 de 184. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(23) ESTUDIO DE COLABILIDAD DEL ALUMINIO CON MODELOS REALIZADOS EN PLA POR IMPRESIÓN 3D. . Sheet Lamination: El proceso consiste en la unión de múltiples láminas que han sido previamente recortadas y que son unidas mediante un agente ligante, el cual es diferente en función del tipo de material. Para el caso de láminas de papel o de plástico se usa pegamento. En el caso de los metales se efectúa una soldadura o unión atornillada. Para uniones de polímeros también se usa calor [4]. Este proceso queda esquematizado en la figura 2.8.. Figura 2.8: Proceso Sheet Lamination. [7].. Esta tecnología responde a la creciente demanda de piezas de titanio, piezas bimetálicas. De igual modo usando estas técnicas se consigue reducir el tiempo de mecanizado y el tiempo de entrega.. 2.2.. Tipos de materiales para impresoras 3D:. Uno de los factores que se debe tener en cuenta a la hora de elegir la impresora 3D es el tipo de material, pues hay impresoras que pueden imprimir en más de un material, sin embargo, no todos los materiales se pueden usar en todas las impresoras debido a sus características técnicas, diámetro de filamento, etc.. Figura 2.9: Esquema de tecnologías y materiales. [1] CAROLINA BUSTOS NUEVO. Página 23 de 184.

(24) INTRODUCCIÓN. El efecto de utilizarlos de forma errónea puede suponer forzar los sistemas físicos de la impresora, como por ejemplo, calentar el cabezal del extrusor a mayor temperatura de la que ha sido diseñada, y provocar una avería. A continuación se detallan los materiales más usados en la impresión en 3D y sus características [10], [11], [12], [13]: . ABS. Acrilonitrilo Butadieno Estireno (termoplástico). Es uno de los termoplásticos más usados en la impresión 3D. Es el más barato. Emite gases nocivos al fundirse, por lo que conviene en esos casos tener la impresora en un lugar bien aireado y/o que ésta sea cerrada. Es un plástico bastante versátil ya que permite lijarse, el pulido con baño de acetona y realizar un acabado muy liso. Además se puede pegar con facilidad y es fácil pintar sobre él.. . PLA. Ácido Poliláctico o Poliláctido (termoplástico). Es un plástico procedente de maíz o patata, lo cual implica que con el paso del tiempo y el efecto de los elementos, pierde las propiedades iniciales hasta su descomposición en elementos químicos simples, aunque esto puede tardar más de cien años. Tiene un efecto tóxico muy bajo. Es biodegradable. Hay una amplia gama de colores en el mercado (opacos y transparentes) y el acabado es brillante.. Figura 2.10: Ciclo del PLA en la naturaleza. [13]. No necesita plataforma caliente, aunque en raras ocasiones se produce el warping (o deformación en las primeras capas) durante el proceso de enfriamiento. Permite impresoras más rápidas. Es idóneo para objetos que no requieran mucha resistencia (como adornos, no es tan resistente como el ABS) y es más fácil de imprimir que el ABS. . PVA. Alcohol Polivinilo. Este material tiene excelentes propiedades para formar películas, como emulsionante y como adhesivo. También es resistente al aceite, grasas y disolventes. Es inodoro y no tóxico. Además tiene alta resistencia y flexibilidad, pero. Página 24 de 184. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(25) ESTUDIO DE COLABILIDAD DEL ALUMINIO CON MODELOS REALIZADOS EN PLA POR IMPRESIÓN 3D. estas propiedades dependen fundamentalmente de la humedad, puesto que es soluble en agua. El agua, actúa como un plastificante, reduciendo su resistencia a la tracción, pero aumentando su elongación y resistencia al desgarro. Se suele utilizar para crear estructuras de apoyo para objetos en PLA y ABS, aunque suele ser caro. Es sencillo retirar estos soportes con un baño de agua durante unas horas.. PROPIEDAD Temperatura de fusión Temperatura plataforma Biodegradable Gases nocivos Densidad Coste por rollo. ABS 215-250 °C 90-100 °C (para prevenir warping) NO SI 1,05 g/cm3 17,00 € (1kg). PLA 160-230 °C Temperatura ambiente hasta 60 °C SI NO 1,2 - 1,4 g/cm3 18,95 € (1kg). PVA 180-200 °C 50 °C NO NO 1,19 - 1,31 g/cm3 36€ (500gr). Tabla 2.2: Propiedades de los polímeros ABS, PLA y PVA relacionadas con la impresión 3D y con su eliminación a altas temperaturas.. . SOFT PLA. Ácido Poliláctico flexible. Necesita una configuración distinta (diferente temperatura y una superficie de cristal). Se recomienda la impresión en superficie de cristal. La temperatura de fusión está comprendida entre 200-220°C. Y la temperatura de la plataforma, la temperatura ambiente hasta 60 °C. Es biodegradable.. . PC. Policarbonato. Material plástico de gran resistencia y durabilidad. Las pruebas para impresión de bajo coste con este material comenzaron en 2012, y no es fácil de encontrar, porque los fabricantes de este filamento son escasos todavía y resulta caro. Se requiere una alta temperatura en el extrusor, aproximadamente de 280-305 ºC, y la temperatura de la plataforma de 85-95 ºC. No es biodegradable.. . HDPE. Polietileno de alta densidad (High Density Polyethylene). La temperatura de fusión está comprendida entre 225-230 °C. Y la temperatura de la plataforma, la temperatura ambiente. No es biodegradable.. CAROLINA BUSTOS NUEVO. Página 25 de 184.

(26) INTRODUCCIÓN. . Nylon. Fibra sintética de muy diversos usos. Tiene un buen acabado en impresión 3D. La temperatura de fusión está comprendida entre 240-250 °C. Y la temperatura de la plataforma, la temperatura ambiente. No se adhiere bien al cristal ni al aluminio, por lo que se recomienda aplicar en superficie pegamento para PVA. No es biodegradable. Tiende a encogerse, problemas de curvado, aunque algunas marcas han conseguido reducir el warping con sus compuestos. Es una alternativa clásica al ABS y PLA, pero más resistente y flexible, además de natural, poco viscoso y resistente al agua. Suele absorber fácilmente humedad, por lo que previamente a la impresión, debemos secarlo en el horno durante 3 o 4 horas.. 2.3.. Técnicas de moldeo. El conformado por fundición, o por moldeo y colada, o más corrientemente el proceso de “fundición” de una pieza, está basado en la propiedad que tienen los líquidos de adaptarse a la forma del recipiente que los contiene. El conjunto de volúmenes que permiten, una vez rellenados por un metal en estado líquido y tras su solidificación, obtener una pieza con una forma determinada es lo que se llama “molde”. El molde está formado en el caso más sencillo por un volumen hueco que reproduce la forma exterior de la pieza, más el canal de alimentación del metal fundido (bebedero), rodeado por una masa de material, refractario o no (arena, metal, etc.), cuya misión es soportar los esfuerzos térmicos, mecánicos, físicos y químicos que se generan al verter en él el metal líquido: gradiente térmico entre el metal líquido y el material del molde, presión metalostática del metal fundido, abrasión del material del molde por el metal fundido, reacciones químicas entre el metal y el material del molde, presión de los gases desprendidos, etc. El proceso de obtención del molde es conocido por “moldeo”, mientras que el vertido del metal en el molde se llama “colada”. La obtención de una pieza tras moldeo y colada se llama “fundición”. El proceso de obtención del metal líquido, sea cuál sea éste, se conoce por fusión. Para la fusión de aleaciones férreas se parte de lingotes de hierro, chatarra, ferroaleaciones y metales puros (Al, Cu, Ni, etc.), así como de retornos de coladas precedentes; en el caso de aleaciones no férreas se utilizan lingotes de “aleaciones madres” que tienen composiciones prefijadas, así como también metales puros, retornos, etc. El proceso de fundición de una pieza conlleva una serie de operaciones que se indican en el esquema siguiente [2]; en adelante para el estudio del proceso se seguirá el orden allí indicado.. Página 26 de 184. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(27) ESTUDIO DE COLABILIDAD DEL ALUMINIO CON MODELOS REALIZADOS EN PLA POR IMPRESIÓN 3D. Figura 2.11: Diagrama de fabricación de una pieza de fundición. [2]. Desde el punto de vista del moldeo puede hablarse de [14]: • Moldeo con molde perdido: Se entiende por técnicas de fundición con molde perdido a aquellas en las cuales el molde únicamente se utiliza una vez. Realizada la colada y posterior desmoldeo se obtienen las piezas con destrucción del molde. Los moldes perdidos son muy utilizados debido a su capacidad para adaptarse a piezas de diferentes tamaños y formas complejas así como su flexibilidad y coste reducido. Los parámetros más importantes a considerar en los moldes son: - Resistencia a la compresión y a la flexión. La resistencia es importante desde el punto de vista de la estabilidad del molde fundamentalmente en el momento de colada. Debe garantizar que el molde no se rompa, agriete o resquebraje en su interior puesto que cualquier fisura o desmoronamiento del molde se va a traducir en un defecto de la pieza. - El grado de finura de la arena de sílice que va a proporcionar a la superficie de la pieza un grado de acabado superficial. - La permeabilidad que va a permitir una mejor o peor salida de gases. El molde debe presentar también una cierta capacidad para evacuar los gases CAROLINA BUSTOS NUEVO. Página 27 de 184.

(28) INTRODUCCIÓN. que se generan en la cavidad en el momento de llenado; esto es lo que se entiende por permeabilidad, de lo contrario el gas atrapado en la cavidad producirá poros en las piezas. • Moldeo con molde permanente: Los moldes se componen de dos o más piezas que permanecen unidas durante la colada y parte del proceso de solidificación que en algunos casos puede ser de unos segundos, transcurridos los cuales se abren para expulsar las piezas. Como su nombre indica, estas partes del molde permanecen y se vuelven a utilizar con el mantenimiento que cada caso requiera. En estos moldes pueden realizarse largas series de piezas que estarán en función del grado de solicitación de los moldes y de las exigencias de precisión dimensional. Los materiales empleados para la fabricación de los moldes deben cumplir una serie de características entre las que cabe destacar: buena maquinabilidad, máxima resistencia al desgaste, elevada resistencia técnica, baja dilatación y buena conductividad térmica. En general suele utilizarse fundición gris en la fabricación de coquillas y aceros de alta aleación en la fabricación de moldes de colada a presión. Un aspecto a tener en cuenta en este tipo de moldes es el del coste económico. Su fabricación y mantenimiento son muy caros y sólo se justifican en grandes series. En el caso de moldes perdidos lo habitual es el llamado “moldeo en caja”, en el que un recipiente metálico contiene la arena que forma el molde. Estas cajas facilitan el proceso de moldeo aunque supongan un gasto más, no desdeñable a veces, pero contribuyen de forma sustancial a soportar las presiones metalostáticas que podrían originar la rotura del molde sin ellas.. Figura 2.12: Caja de moldeo [2]. Para obtener el molde es preciso disponer de una reproducción de la forma exterior de la pieza, esta reproducción se llama modelo. En el caso de la pieza “a” representada en la figura 2.13 si se considera sólo la superficie exterior cilíndrica se necesitará un modelo como el “b”, llamado modelo externo pues sólo permite reproducir la superficie exterior de la pieza. Página 28 de 184. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(29) ESTUDIO DE COLABILIDAD DEL ALUMINIO CON MODELOS REALIZADOS EN PLA POR IMPRESIÓN 3D. El modelo externo permite obtener en el material de moldeo (usualmente arena) una huella que es la reproducción en negativo de la superficie exterior de la pieza; ahora bien, si se quiere obtener la pieza directamente con el agujero pasante se necesitará disponer en dicha huella una pieza maciza de morfología exterior igual a la del agujero, que evite que el metal líquido lo rellene. Esta pieza maciza situada en el interior del molde se llama “macho”, mientras que las zonas del molde sobre las que se asienta el macho se llaman “porteas”. Para obtener el macho se necesita un modelo, llamado modelo interno, que en esencia es similar al modelo externo: lo que en modelos externos es macizo es hueco en los modelos internos, reproduciendo ambos la superficie exterior de la pieza y el macho, respectivamente. Los modelos internos son, por tanto, un volumen macizo que rodea a uno hueco, siendo la forma de éste igual a la del hueco que debe existir en la pieza. En el caso de la figura 2.13 el volumen macizo es el “c”, llamado caja de machos, mientras que el volumen hueco es el macho “d”, fabricado en arena, de igual volumen que el agujero pasante de la pieza fundida “a”. En la figura 2.14 se aprecia el molde que permitiría obtener dicha pieza.. Figura 2.13: Pieza de fundición a, modelo b, con macho d realizado en la caja de machos c, de un cilindro hueco. [2]. Figura 2.14: Moldeo de la pieza anterior a punto de cerrar la caja. Obsérvese la posición del macho. [2]. CAROLINA BUSTOS NUEVO. Página 29 de 184.

(30) INTRODUCCIÓN. Un proceso de molde y modelo perdido es el moldeo con modelo de poliestireno, este proceso utiliza modelos de poliestireno expandido u otro tipo de polímeros con menos átomos de carbono en el monómero que el poliestireno, lo que reduce los problemas que en la fusión del acero puede originar el carbono producido en la combustión del polímero. Los monómeros actuales incorporan oxígeno en la cadena por lo que se minimiza el residuo de carbono. Sin embargo, en la fusión de aleaciones de menor temperatura de colada no se produce la descomposición del polímero en carbono e hidrógeno, de ahí su utilización mayor en la fundición de aluminio. Los modelos de polímero se suelen recubrir con una pintura refractaria para mejorar la superficie de las piezas. La aglomeración de la arena suele hacerse por vibración. Este proceso no presenta limitación en el tamaño de pieza y pueden realizarse modelos de gran tamaño y formas complicadas por soldadura de trozos de polímero [2]. En este proyecto, basándonos en este proceso, se ha sustituido el poliestireno por el termoplástico PLA (Ácido Poliláctico o Poliláctido), obtenido previamente mediante impresión 3D. El molde debe cumplir dos características aparentemente contrapuestas que tienen que ver con los aglomerantes de la arena. Por un lado debe ser lo suficientemente rígido como para aguantar el flujo del metal por su interior y por otro, lo suficientemente frágil como para que se fragmente una vez cumplida su función, solidificada la pieza e iniciada la operación de desmoldeo. Tipos de aglomerante en el moldeo en arena: . Arena verde: El término “verde” se refiere al hecho de que el molde contiene humedad al momento de la colada (no se ha curado). Es una mezcla compactada de arena de sílice (SiO2) y bentonita (derivado de la arcilla, su función es la de mantener los granos de arena cohesionados desde el tiempo de conformado del molde por presión hasta que la pieza haya solidificado) humedecida con agua. (Figura 2.15).. Figura 2.15: Mezcla arena verde. Página 30 de 184. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(31) ESTUDIO DE COLABILIDAD DEL ALUMINIO CON MODELOS REALIZADOS EN PLA POR IMPRESIÓN 3D. Los moldes de arena verde tienen suficiente resistencia en la mayoría de sus aplicaciones, son los menos costosos, así como buena retractibilidad, permeabilidad y reutilización. Por consiguiente, son los más ampliamente usados, sin embargo, la humedad en la arena puede causar defectos en algunas piezas, dependiendo del metal y de la forma geométrica de la pieza. La granulometría de la arena no tiene un tamaño único, es necesario que existan granos grandes, que proporcionan mayor porosidad en el molde aunque peor calidad en la pieza final, y granos pequeños, que confieren una mejor calidad de la pieza y peor porosidad del molde. Debe haber un acuerdo entre ambos tamaños para conseguir un moldeo correcto y una pieza final con las características deseadas.. Figura 2.16: Representación esquemática del proceso de moldeo mediante arena en verde. [14]. . Arena química: Se denomina moldeo en arena química porque esta se endurece incorporando una mezcla de aglomerante químico a base de resinas y catalizador (Figura 2.17). Durante el proceso de endurecimiento se reticulan las moléculas envolviendo los granos de arena, manteniéndolos de esta forma firmemente unidos. (Figura 2.18) Los moldes fabricados con este tipo de arena química endurecida permiten fundir piezas de mayor tamaño y complejidad, peculiaridad que hace de este un proceso idóneo para realizar series de producción que requieren un alto nivel de precisión y, por tanto, mayor valor añadido. La aglomeración química de la. CAROLINA BUSTOS NUEVO. Página 31 de 184.

(32) INTRODUCCIÓN. arena, independientemente de la naturaleza de ésta, desplaza al moldeo en verde allí donde son más altas las solicitaciones mecánicas, térmicas y abrasivas: altas presiones metalostáticas, elevadas temperaturas de colada y ataque directo del caldo sobre zonas concretas del molde. Se comprende que cuando concurren una o varias de dichas circunstancias (aleaciones de alto punto de fusión, piezas de paredes estrechas y con gran número de machos, etc.) se impongan, a pesar de su mayor costo, los moldeos químicos.. Figura 2.17: Mezcla arena química.. Figura 2.18: Resina sintética reticulada. [14]. Página 32 de 184. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(33) ESTUDIO DE COLABILIDAD DEL ALUMINIO CON MODELOS REALIZADOS EN PLA POR IMPRESIÓN 3D. 3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 3.1.. SELECCIÓN FILAMENTO 3D. Para la selección del material utilizado en el modelo se han tenido en cuenta una serie de aspectos, que son: .  . El tipo de impresora utilizado, ya que, como se ha visto anteriormente, hay multitud de materiales y no todas las impresoras pueden trabajar con ciertos materiales. La facilidad de impresión. La facilidad de combustión. La cantidad de escorias, cenizas y residuos producidos durante la colada debe ser mínima. Además, los humos no deben ser tóxicos.. La impresora disponible en la Unidad Docente de Siderurgia es modelo Prusa i3 Hephestos de la empresa Moebyus. Esta impresora puede trabajar perfectamente con los materiales ABS, PVA y PLA. Para el control de esta impresora y sus parámetros se utiliza el programa llamado Repetier-Host, con el que se puede variar dichos parámetros, a fin de conseguir la mejor impresión posible.. Figura 3.1: Impresora 3D Prusa i3 Hephestos con el portátil utilizado. CAROLINA BUSTOS NUEVO. Página 33 de 184.

(34) PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL. Para el manejo de la impresora se tiene una pantalla de información en la que se muestran ciertas características como la temperatura del extrusor, posición del extrusor, tiempo de impresión, etc. (figura 3.2). Figura 3.2: Pantalla principal de información en la impresora 3D.. Estos programas de impresión tienen como entrada un archivo en formato .stl y obtienen un archivo en formato .gcode que contiene instrucciones de control numérico, que son las que nos permitirán guiar a la impresora para realizar la pieza. En estos programas se pueden modificar los parámetros de la impresión, tales como, temperatura, velocidad, etc. En concreto, el programa Repetier-Host (figura 3.3), es un programa sencillo, de fácil manejo y con el que se consigue un buen acabado.. Página 34 de 184. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(35) ESTUDIO DE COLABILIDAD DEL ALUMINIO CON MODELOS REALIZADOS EN PLA POR IMPRESIÓN 3D. Figura 3.3: Aspecto del programa Repetier-Host.. En este tipo de impresión se trata de depositar un hilo fundido creando capas en el eje Z, pero puede ocurrir que según se haya colocado tu pieza en el programa (posición x,y,z), ésta no apoye totalmente en la superficie plana de la impresora, con lo cual al depositar el hilo fundido en dicha posición, si no hay capas debajo, el hilo se caerá y es lo que se conoce como voladizos. Para solucionar el problema de los voladizos se dan tres opciones: 1) 2) 3) 4). Cambiar la orientación Pendientes mayores de 45 º Soportes Diseñar bien. CAROLINA BUSTOS NUEVO. Página 35 de 184.

(36) PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL. En este proyecto este problema no se ha producido, ya que con el diseño adoptado se podía obtener un modelo por partes, que posteriormente se unían mediante un soldador. Se realizó un ensayo con PLA, PVA y ABS para ver su reacción al quemarse. Se obtuvieron resultados muy claros para la elección del material a utilizar. Parámetros a tomar en cuenta:    . Velocidad en quemarse el material. Olores producidos durante el proceso. Gases y humos producidos. Residuos y cenizas producidas a medida que se va eliminando el material.. El material más lento en quemarse es el PVA. Se eliminó esta opción ya que no interesaba un material que tardara mucho en quemarse. El material que provoca un humo negro, olor y escorias sólidas durante el proceso es el ABS. También se eliminó esta opción, principalmente, por motivos de salud y/o medioambientales, y además, para evitar el uso de instrumentos cuyo objetivo fuera la extracción de dichos humos, en definitiva, descartar exceso de humos, hacer más sencillo el proceso de fundición, sin la aparición de escorias. El PLA tiene una velocidad de eliminación buena, y no produce escorias ni residuos, por lo que fue el material elegido para el proyecto. En las siguientes figuras se puede observar el proceso de quemado de filamentos de 30 mm de longitud de los tres polímeros en cuestión. En cada imagen se va viendo la evolución de cada uno de estos materiales según transcurría el tiempo. El PLA tardó 15 segundos en eliminarse, el ABS 55 segundos y por último, el PVA 75 segundos.. ABS. PLA. PVA. Figura 3.4: posición de los tres polímeros en el ensayo.. Página 36 de 184. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(37) ESTUDIO DE COLABILIDAD DEL ALUMINIO CON MODELOS REALIZADOS EN PLA POR IMPRESIÓN 3D 1.. 2.. 3.. 4.. 5.. 6.. 7.. 8.. 9.. 10.. 12.. 11.. 13.. 14.. Figura 3.5: Ensayo para la elección del polímero. CAROLINA BUSTOS NUEVO. Página 37 de 184.

(38) PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL. Como ya se ha mencionado, el PLA es un material idóneo como materia prima para la impresión 3D. Una de las características que hacen al PLA único en el mercado es que el material de partida para el polímero final, el ácido láctico, está fabricado por un proceso de fermentación con el 100% de los materiales provenientes de recursos renovables. Además, permite su impresión en impresoras con cama fría y sin necesidad de controlar las condiciones ambientales del área de impresión, lo que no es posible en la impresión del ABS. Como consecuencia de los avances en la fermentación de la glucosa para obtener ácido láctico, el coste de producción de éste ha experimentado una bajada importante y por consiguiente, un interés creciente en el polímero. Un punto negativo del polímero ocurre durante su fase de descomposición biológica. El PLA emite CO2 y CH4 durante este proceso. Son dos de los gases invernaderos que se quieren reducir sus emisiones por los comités internacionales. Otro detalle a mencionar es que aún se necesita de los combustibles fósiles para producir el PLA, aunque estos fósiles no se usan en el polímero directamente, son necesarios en el proceso de cosecha de las plantas y la producción química. No obstante, se requiere de entre un 20%-50% menos de recursos fósiles que si se obtuviera directamente del petróleo. También es cierto, que la emisión de estos gases no preocupa ya que su balance es nulo: en su degradación el PLA emite la misma cantidad de dióxido de carbono que el que consume la planta de la que se obtiene. Las propiedades del PLA dependen de su procedencia y el proceso a través del que se creó, es decir, que básicamente depende del fabricante, lo que hace que sus características técnicas cambien de uno a otro. Una característica de este material es que se le puede aplicar distintos acabados y obtener un acabado de gran calidad superficial. Para conseguirlo, basta con introducir la pieza en un baño de vapor de acetona, y en unas horas, tanto las rugosidades de capa y desperfectos quedarán completamente alisados. El filamento por el que se optó para el proyecto fue un rollo de PLA de 1 kg con un diámetro de 1,75 mm que es el específico para la impresora disponible.. 3.2.. SELECCIÓN DE MODELOS Y COLADAS. La selección del modelo juega un papel fundamental en el trabajo, tanto por la geometría como por el tamaño. Este proyecto se enfoca en piezas relativamente pequeñas, donde la dificultad en que el polímero se elimine durante la colada es mayor que en piezas grandes, debido a la. Página 38 de 184. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).