Download Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos

Viabilidad de la IMPRESION 3D de
nuevos materiales inorgánicos,
cerámicos y composites.
Informe nº
Nº de páginas 42
AICE - INSTITUTO DE TECNOLOGÍA CERÁMICA ASOCIACIÓN DE INVESTIGACIÓN DE LAS INDUSTRIAS
CERÁMICAS
Castellón, 29 de Enero de 2016
1/42
1. Antecedentes
En el presente informe se muestras los principales resultados obtenidos en las tareas realizadas
de la Actividad 2: Aplicación de la impresión 3D a la bioingeniería del proyecto con número de
expediente IMAMCA/2015/1 3DPRINT.
El objetivo de esta actividad, es estudiar la viabilidad de la utilización de técnicas aditivas con
estos nuevos materiales y/o materiales cerámicos avanzados, asimismo, diseñar las bases de un
posible prototipo o adaptación del material de partida que sean susceptibles de ser utilizados
mediante técnicas aditivas. El alcance de esta actividad es parte de una iniciativa más amplia
hacia el avance en el estado de la técnica de los materiales de AM mediante la modificación de
materias primas cerámicas y sus propiedades fundamentales materiales utilizando materiales
orgánicos y/o inorgánicos y el desarrollo de técnicas de fabricación aditiva novedosos que
incorporan nuevas funcionalidades y / o aumento de rendimiento significativo.
Este proyecto es continuación del proyecto presentado en el 2014, mientras que en el 2014 se
estudiaba la impresión de biomateriales (plásticos biocompatibles) y se diseñaba un prototipo, en
el proyecto de 2015, se investigan la aplicación de estas técnicas a otros tipos de materiales
inorgánicos, cerámicos, composites, … y ver las posibilidades técnicas y de mercado de estos
materiales en la impresión 3D.
Las tareas realizadas dentro de esta actividad han sido:
Tarea 1. Trabajos de coordinación general
En esta tarea se contempla:
•
•
Celebración de reuniones periódicas entre los participantes en el desarrollo del proyecto,
para discutir los resultados que se vayan obteniendo en cada una de las tareas del
paquete de trabajo.
Coordinación y programación de las acciones a desarrollar en el proyecto y redacción de
la memora final.
Tarea 2. Estudio del estado del arte
Se ha llevado a cabo el estudio del arte de la impresión 3D, para ello ha buscado información
sobre las diferentes técnicas de impresión existentes en el mercado, haciendo especial hincapié
en la técnica de la extrusión. Se ha hecho una búsqueda sobre los avances en impresión 3D en
cerámica mediante la técnica de extrusión y si se han utilizado otro tipo de materiales distintos a
los materiales plásticos con esta metodología de impresión 3D. Se han determinado los requisitos
que deben cumplir los materiales para ser utilizados en las técnicas. El objetivo será ver las
posibilidades de impresión 3D para materiales cerámicos o materiales especiales como
geopolímeros, composites….mediante la técnica de extrusión.
Tarea 3. Selección del material y caracterización
Se ha llevado a cabo la selección de los materiales de materiales que habitualmente se utilizan en
este campo y aquellos que pueda ser susceptible su uso. Se contempla el uso de materiales
orgánicos y cerámicos. La caracterización de los materiales se llevará a cabo atendiendo
principalmente a su naturaleza. Los ensayos que se contemplan para poder llevar a cabo su
caracterización son ensayos de análisis dilatométricos, difracción de rayos X, distribución de
tamaño de partícula, análisis químicos y diversos ensayos cerámicos.
Tarea 4. Adaptación del material para la impresión 3D
Los materiales seleccionados deberán ser adecuados para su uso en impresión 3D. Atendiendo a
la técnica escogida (extrusión), éstos deberán de cumplir unos requisitos. En esta tarea se
realizarán los tratamientos necesarios para poder utilizar un determinado material en la impresión
3D.
En principio se estudiará la viabilidad de tres tipos de materiales
2/42
•
•
•
Cerámicos
Geopolímeros
Composites
Tarea 5. Estudio y caracterización de prototipos
Tras la adecuación del material para poder ser utilizado en la impresión 3D se ha llevado a cabo el
modelado y la impresión de los prototipos. A partir de los prototipos generados se ha realizado el
estudio y la caracterización de los distintos prototipos, analizando las propiedades que le confiere
al prototipo la utilización un determinado material para su elaboración.
Tarea 6. Difusión de los resultados
Finalizada la ejecución del proyecto se contempla la difusión de los resultados obtenidos a lo largo
del mismo. Las acciones de difusión exactas se irán concretando en las reuniones técnicas y de
coordinación desarrolladas a lo largo del proyecto. A tenor de los resultados obtenidos, se decidirá
la idoneidad de los medios para su difusión.
Tarea 2. Estudio del estado del arte
Se llevará a cabo el estudio del arte de la impresión 3D, para ello se estudiarán las diferentes
técnicas de impresión existentes en el mercado, se analizarán los sectores en los que se utiliza y
los sectores susceptibles de utilizarse. Se decidirá para cada una de las tipologías de producto con
las que se quiere trabajar, la técnica más adecuada. Junto con lo anterior, se determinarán los
requisitos que deben cumplir los materiales para ser utilizados en las técnicas.
El objetivo será ver las posibilidades de impresión 3D para materiales cerámicos o materiales
especiales como geopolímeros, composite.
2. Sistemas de impresión 3D
2.1. Introducción
La impresión 3D es un tecnología que permite crear objetos tridimensionales a partir de un modelo
digital utilizando procesos aditivos con aporte de material. Durante los últimos años, la tecnología
de impresión 3D ha experimentado un importante avance, que ha repercutido en la reducción del
coste de los equipos. Además, la posibilidad de emplear el código abierto para el software, esta
incrementando su expansión y su incorporación en múltiples sectores.
Actualmente, se pueden destacar algunos campos de aplicación de las impresoras 3D:
• En los campos del diseño y la ingeniería, la tecnología de impresión 3D permite obtener una
pieza física a partir de un modelo digital y así poder corregir algún defecto o hacer alguna
modificación, reduciendo tiempos y costes. En el caso del material cerámico1 , se están
produciendo importantes avances en el desarrollo y adaptación de técnicas y materiales para
la impresión 3D.
• En el campo de la arquitectura 2 3, se están empleando impresoras para la construcción de
edificios, que en un futuro, permitirán reducir los costes, tiempos e impactos ambientales en
la construcción.
• En el ámbito doméstico 4, la impresión por medio de plásticos de pequeños objetos
cotidianos para el usuario, se encuentras actualmente al alcance de cualquiera.
1 http://elpais.com/elpais/2015/12/31/ciencia/1451556922_109596.html
2 (http://3dprint.com/38144/3d-printed-apartment-building/
3
(http://tecnologia.elpais.com/tecnologia/2015/12/16/actualidad/1450269574_416701.html
4 (http://impresoras3d.com/)
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• En el sector sanitario 5, la aplicación de esta tecnología es cada vez mayor y se están
realizando grandes avances en la producción de prótesis, tejidos y órganos personalizados
para cada paviente.
• Otra aplicación interesante, consiste en la posibilidad de imprimir piezas en la Estación
Espacial Internacional 6 enviando el modelo desde la tierra, dando la posibilidad de fabricar
piezas para recambios en la misma estación sin tener que esperar el aprovisionamiento por
parte de otra nave.
• Otro campo en el que hay mucho desarrollo es en el de la impresión 3D de comida7. Existen
varias marcas comerciales que están planteando sacar al mercado, impresoras de comida.
2.1.1. Clasificación
En este punto se realiza una clasificación de las diversas tecnologías de impresión 3D existentes
en el mercado. La clasificación de las diferentes tecnologías, se ha establecido en base a 4
grandes familias:
1. Solidificación de material
2. Deposición por inyectores
3. Extrusión
4. Laminado
En cada una de las familias, se han incorporado las diferentes tecnicas existentes y el tipo de
material empleado en la impresión (metal, termoplásticos, cerámica), tal y como se recoge en la
Tabla1:
Tabla 1.Clasificación de la Tecnologías de impresión 3D.
A continuación se describen brevemente las principales técnicas de las 4 familias. Posteriormente
se prestará especial atención a la técnica de impresión 3D mediante extrusión, al ser la técnica
empleada durante el desarrollo del proyecto.
5
http://impresora3dprinter.com/trasplante-de-rostro-de-26-horas-se-hace-posible-gracias-a-la-impresion3d/2015/11/20/
6 http://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/news/3Dratchet_wrench
7 https://www.naturalmachines.com/
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2.2. Sistemas de Extrusión
Se prestará especial atención a las técnicas de impresión 3D basadas en el proceso de extrusión,
al ser la técnia empleada durante el desarrollo del proyecto. Para la clasificación de las diversas
técnicas se diferencia entre los sistemas de extrusión en caliente y los sistemas de extrusión en
frío.
2.2.1. En caliente
2.2.1.1. FDM (Fused Deposition Modelling) 8
Fue inventada por Scott Crump quien también es fundador de Stratasys. El término Fused
Deposition Modelling y su acrónimo FDM están registrados por Stratasys Inc. El término
equivalente fused filament fabrication (FFF) fue elegido por los miembros del proyecto RepRap
para sortear esta restricción.
2.2.1.2. Printing transparent glass in 3-D9
Enlace:
http://news.mit.edu/2015/3-d-printing-transparent-glass-0914
Tecnología: Un equipo de investigadores MIT (Neri Oxman, Peter Houk, John Klein y Michael
Stern) ha abierto una nueva frontera en la impresión 3D: la capacidad para imprimir objetos de
vidrio ópticamente transparente.
2.2.1.3. DMD (Direct Metal Deposition) 10
La deposición de metal directa (DMD) es una avanzada tecnología de fabricación aditiva utilizada
para reparar y reconstruir componentes dañados y desgastados o bien para fabricar nuevos
componentes. DMD produce piezas completamente densas, piezas metálicas funcionales
directamente de los datos CAD, mediante el depósito de polvos metálicos, pixel por pixel,
mediante fusión por láser y la integridad material.
2.2.2. En frío
2.2.2.1. Material11
Tecnología: Consiste en extrudir un filamento de un material no especificado que inmediatamente
es secado con aire. La boquilla de extrusión y el sistema de secado está montada en un brazo de
robot. La mayor ventaja es que no construye secciones del objeto, sino que crea líneas en el
espacio.
2.2.2.2. CC (Contour Crafting)12
Tecnología: Es un sistema desarrollado por el Dr. Behrokh Khoshnevis de la Universidad de
California del Sur, basado en la extrusión de hormigón con el objetivo de automatizar el proceso
constructivo de los edificios. Está desarrollado por la Universidad Southern California. Se trata de
una construcción prefabricada en la que no es necesario que todas las piezas sean iguales ya que
no se basa en un molde sino en un sistema constructivo robotizado.
8
http://www.stratasys.com/
http://news.mit.edu/2015/3-d-printing-transparent-glass-0914
10 http://www.pomgroup.com/
11 http://www.mataerial.com/
12 http://www.contourcrafting.org/
9
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2.2.2.3. Building bytes13
Tecnología: Desarrollado por el alumno Brian Peters del European Ceramic Work Centre in the
south of the Netherlands. Presentó su 3D printer basada en Fused Deposition Modelling (FDM) en
octubre de 2012. Material: Cerámica
2.2.2.4. Fabclay14
Tecnología: Utiliza un sistema similar al FDM y a Ceramic Futures.
Material: Cerámica
2.2.2.5. Cerámic Futures (Harvard)15
Tecnología: Proyecto patrocinado por ASCER bajo la dirección de Martin Bechthold (Robotics
group de Harvard). El sistema propuesto es similar a la FDM. La boquilla está montada sobre un
brazo de robot para permitir la deposición de la cerámica de forma libre. Utiliza Rhino y
Grashopper para definir la forma de las piezas y generar los recorridos de la boca de extrusión. El
material se deposita sobre unos moldes configurables de pins que también se definen en los
mismos programas. Material: Cerámica
2.2.2.6. Pylos16
Tecnología: El investigador Sofoklis Giannakopoulos del Institute for Advanced Architecture of
Catalonia (IAAC) ha presentado Pylos, una impresora 3D como método de construcción a gran
escala, con el empleo de materiales naturales, biodegradables, baratos, reciclables, locales y que
todos conocemos: la tierra. Material que despierta, un innegable interés sobre todo en esta época
de crisis económica y ambiental. Material: Cerámica
Figura 1 Proceso de impresión Pylos.
of economic and environmental crisis.
17
2.2.2.7. Delta y Big Delta
Tecnología: Esta tecnología ha sido desarrollada por la compañía italiana WASP (World’s
Advanced Saving Project). Las impresoras Delta 20 40 están desarrolladas para la impresión de
materiales termoplásticos, aunque también permite adaptarse a materiales cerámicos. Este
tecnología de impresión, dispone de una fase de calentamiento del material y un control de la
temperatura ambiente, garantizan una retracción controlada de material y mejores resultados a
nivel de la impresión final de los prototipos. Esta tecnología permite la impresión de otros
materiales (porcelana, arcilla,etc), mediante la adaptación de varios accesorios del dispositivo
(boquilla, depósito, etc).
Material: PLA, ABS, nylon, polímeros elásticos, poliestireno, ABA ILAB.
13
14
15
16
17
http://www.3ders.org/articles/20121101-3d-printed-ceramic-bricks-developed-for-large-scale-construction.html
http://www.fabclay.com/
http://www.gsd.harvard.edu/#/projects/ceramic-futures.html
http://pylos.iaac.net/main.html#main
http://www.wasproject.it/w/
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3. Sistemas de digitalización 3D
El concepto de "Digitalización 3D", apareció a finales de la década de los 90, designa las técnicas
de adquisición de medidas tridimensionales para convertir cualquier elemento físico en un modelo
tridimensional y virtual en el ordenador.
La digitalización ofrece soluciones a diferentes sectores industriales (mecanizado, automoción,
medicina ortopedia, calzado, mueble, arquitectura, arte, diseño, animación, arqueología) para
control de calidad, verificación de piezas, diseño de moldes, etc. Es un proceso que nos permite
capturar puntos de medida con precisión y velocidad, pudiéndose emplear sobre distintos tipos de
objetos, con distintas dimensiones, geometrías y texturas y llevar esos puntos a un software CAD
3D, ya sea para generar un modelo tridimensional u obtener puntos para control de calidad
industrial o verificación de piezas industriales. Se pueden digitalizar objetos de cualquier tamaño,
independientemente del nivel de detalle o de la complejidad de la superficie, en el establecimiento
del cliente o en oficinas, en interiores o exteriores.
Además, esta tecnología permite la realización rápida de prototipos 3D, catálogos 3D, archivado
de modelos en 3D, ingeniería inversa de un modelo, control dimensional de una pieza mediante
comparación con archivo CAD, análisis de formas complejas,medidas antropométricas, fabricación
de prótesis, etc.
Existen distintos sistemas de digitalización 3D, que principalmente se pueden dividir en dos
grandes grupos:
• Sistemas con contacto
• Sin contacto con el objeto a digitalizar
Figura 2 Imágenes digitalización 3D de varios objetos.
4. Tarea 3. Selección del material y caracterización
Para el desarrollo de esta tarea se han seleccionado tres tipologías de materiales:
Figura 3 Distintas tipologías de materiales con los que se ha desarrollado el proyecto de impresión 3D.
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4.1. Materiales Cerámicos
Se seleccionaron distintas mezclas de materias primas y arcillas que tras ser procesadas (cocidas
en un horno a alta temperatura) dieran lugar a materiales cerámico con distintos acabados y
propiedades mecánicas: Productos cerámicos porosos blancos, productos cerámicos gresificados
rojos y productos cerámicos gresificados blancos (gres porcelánico).
Azulejos
Azulejo, es la denominación tradicional de las baldosas cerámicas con absorción de agua alta,
prensadas en seco, esmaltadas y fabricadas con procesos de bicocción y monococción.
Sus características los hacen particularmente adecuados para el revestimiento de paredes
interiores, locales residenciales o comerciales. Los azulejos, junto con las baldosas de gres
esmaltado, fabricados por monococción, representa el grueso de la producción española de
baldosas cerámicas.
El cuerpo o soporte, llamado bizcocho, puede ser de color claro a blanquecino o bien de color
rojizo o pardo.Las temperaturas de procesado para una temperatura de monococción se
encuentra en torno a los 1100ºC.
Tabla 2 Características de los azulejos
Características del producto
Temperatura de cocción
Absorción de agua
Densidad aparente
1080 - 1120°C
12 – 18 %
1,75-1,85 g/cm3
Estabilidad dimensional
Contracción lineal
< 1,5 %
Resistencia mecánica
150 – 250 Kg/cm²
Estabilidad de las fases presentes
Expansión por humedad
< 0,1%
Características superficiales-estéticas
Resistencia a los agentes químicos
Gres
Gres esmaltado es la denominación más frecuente de las baldosas cerámicas de absorción de
agua baja o media-baja, prensadas en seco, esmaltadas y fabricadas generalmente por
monococción, conocidas también como pavimento cerámico. Son adecuadas para suelos
interiores en locales residenciales o comerciales.
El soporte es de absorción baja (gres) o de absorción media-baja (gresificado), con tonalidades
claras o de color ocre o pardo. El recubrimiento vidriado de la cara vista, de aspecto mate o
brillante, puede estar decorado con motivos diversos.
Las temperaturas de procesado para una temperatura de monococción es en torno a los 1120 –
1140 ºC.
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Tabla 3 Características del gres esmaltado
Características del producto
Temperatura de cocción
Absorción de agua
Densidad aparente
1120 - 1150°C
2 -5 %
2,20 – 2,35 g/cm3
Estabilidad dimensional
Contracción lineal
Resistencia mecánica
5 -7 %
250 – 350 Kg/cm²
Estabilidad de las fases presentes
Expansión por humedad
Despreciable
Características superficiales-estéticas
Resistencia a los agentes químicos
Alta resistencia mecánica
Buen comportamiento a la helada
Resistencia a la abrasión
Dureza al rayado
Gres porcelánico
Gres porcelánico es el nombre generalizado de las baldosas cerámicas con muy baja absorción de
agua, prensadas en seco, generalmente no esmaltadas, y por tanto, sometidas a una única
cocción. Se utiliza suelos de interiores en edificaciones residenciales, comerciales, exteriores, para
fachadas e incluso para revestimientos de paredes interiores.
Este tipo de producto se puede presentar mate o natural (resultado tras la cocción), pulido
(sometiendo la cara vista a un proceso de pulido) o esmaltado. Las temperaturas de procesado
para una temperatura de monococción son en torno a los 1180 ºC
Tabla 4 Características del gres porcelánico
Características del producto
Temperatura de cocción
Absorción de agua
Densidad aparente
1180 - 1230°C
< 0.1 %
2,37 – 2,45 g/cm3
Estabilidad dimensional
Contracción lineal
Resistencia mecánica
7-9 %
350 – 450 kg/cm²
Estabilidad de las fases presentes
Expansión por humedad
Despreciable
Características superficiales-estéticas
Resistencia a los agentes químicos
Alta resistencia mecánica
Buen comportamiento a la helada
Resistencia a la abrasión
Dureza al rayado del producto pulido
Resistencia a las manchas del producto pulido
Se seleccionaron tres composiciones (mezcla de arcillas para la realización de los ensayos). Se
realizó una caracterización mineralógica, térmica y cerámica de cada una de las composiciones.
En la tabla 4 y 5 se muestra la composición química y mineralógica de las distintas mezclas de
arcillas para la obtención de productos de porosa blanca, gres rojo y porceláncio.
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Tabla 5 Análisis químico (% en óxidos) de los materiales utilizados para la extrusión 3D con diferentes
acabados
Composición
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
Na2O
K2O
TiO2
Ppc1000ºC
Porosa Blanca
64,1
14,4
0,7
6,7
0,3
0,5
1,9
0,7
9,4
Gres Rojo
64,3
16,4
5,5
1,7
1,4
0,6
3,4
0,8
5,6
Porcelánico
67,7
20,1
0,5
0,5
0,6
4,4
1,6
0,8
3,6
Tabla 6 Análisis mineralógico (% en óxidos) de los materiales utilizados para la extrusión 3D con diferentes
acabados
Composición
Cuarzo
Caolinita
Calcita
Dolomita
Illita/
Mica
Microclina
Albita
Clorita
Porosa Blanca
41
28
12
<1
8
6
4
<1
Gres Rojo
41
20
3
<1
17
8
<1
5
Porcelánico
1
13
<1
<1
18
<1
37
27
4.2. Geopolímeros
La reacción de geopolimerización se produce bajo condiciones altamente alcalinas entre un polvo
de aluminosilocato y una solución activadora (basada en una mezcla molar de hidróxido sódico) a
condiciones ambientales,
Para la realización de los ensayos con geopolímeros (aluminosilicatos inorgánicos) se prepararon
mezclas de dos componentes:
-
metacaolín como material de partida para la síntesis de geopolímeros, siendo este
generado por la activación térmica de caolinita,
-
NaOH 10 Molar
La composición química del metacaolín se muestra a en la Tabla 6, En cuanto a la composición
mineralógica, la muestra era amorfa,
Tabla 7 Análisis químico (% en óxidos) del metacaolín utilizado para la extrusión 3D de geopolímeros,
Composición
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
Na2O
K2O
TiO2
Ppc1000ºC
Metacaolín
53,2
40,8
0,6
0,9
0,1
0,8
1,9
1,2
0,4
4.3. Composite
Para los composites se utilizaron materiales mezcla orgánico inorgánicos que ya existen en el
mercado y son capaces de endurecer sin la utilización de calor (no son necesarias cocer),
Aparecen en el mercado como “modelling clay”, En la Figura 2 se muestra la imagen del material
utilizado,
Este material está compuesto por una parte orgánica y una parte inorgánica, La parte inorgánica
está compuesta por yeso,
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Figura 4 Material composite mezcla de material orgánico e inorgánico utilizado para modelar de secado al
aire.
5. Tarea 4 Adaptación del material a la impresión 3D
Tal y como se ha comentado anteriormente, los materiales seleccionado iban a ser utilizados para
la impresión 3D mediante el método de extrusión, En la Figura 2 se muestra el esquema de
impresión, Para la realización del proyecto, hay dos fases diferenciadas y al mismo tiempo
interrelacionadas entre sí, Por una parte una que se correspondería con los materiales y su
adecuación a la impresión 3d, y por otra parte la correspondiente a los materiales a imprimir y la
forma de adecuarlos para su impresión y otra parte correspondiente a la parte de diseño de
prototipos y de su adecuación para ser entendidos por el controlador de la impresora en forma de
comandos para poder ser ejecutados y dar como resultado final una pieza en 3D,
Figura 5 Esquema del desarrollo del proyecto.
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5.1. Prototipo para la impresión 3D de materiales (cerámicos y composites)
mediante la técnica de extrusión
Se ha diseñado y optimizado una impresora 3D diseñada para la impresión de suspensiones de
materiales mediante la técnica de la extrusión.
Aire a presión
45453325656
Controlador
impresora 3D
Extrusor
cartucho
Diseño
Boquilla
Controlador presión
Impresora 3D
Figura 6 Esquema del prototipo de impresión 3D diseñado para la extrusión en el marco del proyecto.
Figura 7 Fotografía del prototipo de impresión 3D diseñado para la extrusión en el marco del proyecto0
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El dispositivo extrusor (Figura 8) constaba de una carcasa, un embolo donde se colocaba la
barbotina y una boquilla. La boquilla que es intercambiable y de diferentes diámetros, será la que
definirá la precisión del diseño. La barbotina que se utilice tendrá que acondicionarse para que
pueda pasar de forma correcta a la presión requerida a través de la boquilla. El proceso de
extrusión se iniciaba de forma manual mediante una palanca.
Aire a presión
Cartucho con barbotina
Carcasa
Extrusor
Figura 8 Boquilla extrusora. Detalle.
Los diámetros de las boquillas variaron entre 0,9 y 2,4 mm. En la Figura 9 se muestran las
distintas boquillas utilizadas en el proyecto.
Figura 9 Boquillas utilizadas en la extrusión de barbotinas para la impresión 3D,
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Para la realización de la impresión 3D se utilizaron dos programas informáticos libres, Para la
adecuación de la figura diseñada por un programa de diseño gráfico (ej, Autocad o Solidworks)
para ser impresa, ha de dividirse en capas y el diseño de estas capas que estará influenciado con
la precisión que se quiera obtener (diámetro de la boquilla) se utilizó el programa CURA
PRINTING 3D SLICING SOFTWARE y para el control de la máquina aunque se puede hacer
directamente a través del Arduino, se prefirió realizar el control mediante ordenador con el
programa REPETIER-HOST,
En las Figuras 10 y 11, se muestran las imágenes de ambos programas durante su proceso de
utilización:
Figura 10 Imágenes de la forma del procesado de los diseños con el programa CURA
Figura 11 Imágenes de la forma del procesado de los diseños con el programa controlador REPETIER,
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5.2. Adaptación de los distintos materiales a la impresión 3D
5.2.1. Materiales cerámicos
Son diversas las variables a tener en cuenta a la hora de acondicionar los distintos materiales para
la impresión 3D. Los materiales seleccionados para la impresión cerámica, tal y como se ha visto
en el apartado 2,1,1 son materiales compuestos principalmente por minerales arcillosos,
feldespatos y cuarzo. Estos materiales se molturan hasta obtener una distribución fina y son
mezclados con agua.
Para realizar la adecuación de los materiales se han de tener en cuenta variables tales como el
material y el tamaño de la boquilla lo cual determinará el contenido en sólidos de la barbotina, si
hace falta la adición de aditivos y la presión a aplicar. Todos estos parámetros además influirán en
la velocidad a la cual se imprimirán los distintos modelos para obtener un buen acabado
superficial.
Las variables a tener en cuenta son tanto intrínsecas a los materiales como de procesado. En la
Figura 12 se muestra un esquema de todos los parámetros a tener en cuenta.
Figura 12 Variables a tener en cuenta a la hora tanto de los materiales como del procesado.
Dado que los atomizados para las distintas tipologías se materiales cerámicos son similares, se
realizaron los ensayos con el atomizado blanco de porosa con distintas humedades, boquillas y
preseiones.
El volumen dentro del extrusor fue de 20 ml y 50 ml de barbotina.
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Tabla 8 Primeras pruebas con distintas humedades, extrusores y velocidad de impresión. CUBO
Referencia
Humedad
(% agua)
1 (a)
31,7
Extrusor
(mm Ø)
Velocidad
(mm/s)
1,05
35
(ref 19)
1,05
2 (a)
31,7
35
(ref 19)
1,05
3 (a)
31,7
70
(ref 19)
1,05
4 (a)
31,7
70
(ref 19)
1,3
1 (b)
32,5
35
(ref 18)
1,3
2 (b)
32,5
35
(ref 18)
1,3
3 (b)
32,5
70
(ref 18)
1,3
4 (b)
32,5
70
(ref 18)
Imagen
16/42
Cont Tabla 9 Primeras pruebas con distintas humedades, extrusores y velocidad de impresión,
CUBO
Referencia
Humedad
(% agua)
5
32,5
Extrusor
(mm Ø)
Velocidad
(mm/s)
Imagen
1,05
35
(ref 19)
1,05
6
32,5
35
(ref 19)
1,05
7
32,5
70
(ref 19)
1,05
8
32,5
70
(ref 19)
En general las figuras algo más grandes tienen una mejor resolución que las piezas más
pequeñas, es lo que ocurre con la pieza 8, La extrusión con 1 mm de diámetro y contenidos en
agua de la barbotina en torno al 32% parecen ser adecuadas, no obstante la aparición de grietas,
es indicativo o que hay que trabajar con un menor contenido en agua o que el secado se ha de
realizar de forma más controlada,
Se optó en un principio por controlar el proceso de secado para lo cual se dejaron las piezas
tapadas con plástico durante un día, otro día a 45ºC y posteriormente otras 24 horas mínimo a
110ºC.
Estas piezas se cocieron en un horno de laboratorio hasta la temperatura máxima de 1125ºC.
Se realizaron numerosas pruebas de extrusión, para lo cual se prepararon barbotinas cerámicas y
se extrudieron numerosas piezas, En las figuras 15 a 32 se muestran algunos ejemplos de piezas
impresas. A continuación en la Tabla 11 se muestran algunos de los problemas que surgieron
durante la impresión de piezas y la solución para solventar el problema:
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Tabla 9 Algunos de los problemas encontrados durante la ejecución del proyecto y la solución encontrada
Problemas encontrados
Soluciones
Piezas con baja consistencia y defectos de
deformación durante su impresión.
Aumento del contenido en sólidos
Problemas de extrusión al aplicar la presión a
lo largo de un mismo cartucho
Buena homogeneización de la muestra y uso
de aditivos cohesionantes orgánicos.
Distinta viscosidad dependiendo del producto
con un mimo contenido en sólidos
Uso de desfloculantes inorgánicos
Baja precisión con boquillas muy estrechas
Disminución de la velocidad de impresión.
5.2.1.1. Geopolímeros,
Se eligió como materia prima un metacaolín o caolín calcinado de la marca comercial IMERYS, La
solución alcalina estaba compuesta por la siguiente relación en peso: 85% NaOH 10M y 15%
Na2SiO3, Para preparar la disolución de hidróxido sódico se usó como reactivo NaOH en lentejas,
de la marca PANREAC, El silicato sódico soluble utilizado fue de la marca MERCK, cuya fórmula
es 3SiO2•Na2O (M = 242,3 g/mol), con la siguiente composición en peso: 25,5-28,5% SiO2, 7,58,5% Na2O y una densidad de 1,296-1,396 g/cm3 a 20 ºC,
Los geopolímeros que están basados en aluminosilicatos son
llamados polisialatos, Este término es una abreviación de
poli-(silico-oxo-aluminato) o (-Si-O-Al-O-)n, siendo n el grado
de polimerización, La red sialato consiste en tetraedros de
SiO4 y AlO4 unidos por átomos compartidos de oxígeno,
Dentro de las cavidades de la red, deben estar presentes
iones positivos (Na+, K+, Li+, Ca++, Ba++, NH4+, H3O+) para
contrarrestar las cargas negativas del Al3+ para que el
aluminio pueda estar unido a tres oxígenos, como el silicio,
La fórmula empírica de los polisialatos es la siguiente:
M·n(-(SiO2)z-AlO2)n·wH2O
Figura 13 Red sialato
Figura 14 Mecanismo de polimerización propuesto por algunos autores,
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Se realizaron distintas pruebas, pero con las mezclas originales no era posible imprimir, ya que no
poseía la consistencia deseada, Se realizaron prueba con un mayor contenido en sólidos hasta el
contenido límite para poder obtener piezas con una elevada dureza pero sin la necesidad de
cocer,
Aún así, durante el proceso de impresión no se obtenían las piezas con la consistencia deseada
por lo que al imprimir no se era capaz de obtener piezas en 3D con las dimensiones deseadas, En
la Figuras 39 y 40 se muestran los resultados obtenidos,
Otra limitación de este tipo de materiales era que al ser tan causticos, no todas las boquillas son
adecuadas y han de ser de acero resistente a un elevado pH, Así mismo los diseños han de
realizarse muy rápido, ya que pueden llegar a endurecer durante el proceso de impresión,
5.2.1.2. Composites
Para el tipo de producto elegido no se obtuvieron buenos resultados,
La mezcla no era capaz de fluir tras aplicar la presión correspondiente, Se intentaron realizar
diversas acciones que disminuyera la viscosidad de la mezcla para poderla extrudir:
-
Dispersión con agua
-
Dispersión con compuestos orgánicos
En ninguno de los dos casos se obtuvieron resultados positivos ya que cuando se mezclaba con
agua no se obtenían mezclas homogéneas y en el segundo caso ninguno de los disolventes
comunes utilizados proporcionó resultados positivos.
En este caso no se pudo continuar a la fase de prueba de impresión.
Tras la adecuación del material para poder ser utilizado en la impresión 3D se llevará a cabo el
modelado y la impresión de los prototipos. A partir de los prototipos generados se realizará el
estudio y la caracterización de los distintos prototipos, analizando las propiedades que le confiere
al prototipo la utilización un determinado material para su elaboración.
6. Tarea 5. Estudio y caracterización de prototipos
Tras la adecuación del material para poder ser utilizado en la impresión 3D se llevó a cabo el
modelado y la impresión de los prototipos. A partir de los prototipos generados se realizó el
estudio del acabado final y la caracterización de los distintos prototipos, analizando las
propiedades que le confiere al prototipo la utilización un determinado material para su elaboración.
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6.1. Materiales cerámicos
PIEZAS DE ATOMIZADO BLANCO
Imitación de piezas de uso arquitectónico, Ennis Brown House (Frank Lloyd Wright)
Figura 15 Imágenes del proceso de impresión 3D para la reproducción de piezas reales. Fotografía de las
piezas reales, diseño de impresión, prototipo en plástico e impresión en cerámica, en crudo y tras la cocción.
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Figura 16 Imágenes del proceso de impresión 3D para la reproducción de piezas reales, Fotografía de las
piezas reales, impresión en cerámica, en crudo y tras la cocción, Piezas singulares del hotel Biltmore,
Figura 17 Imágenes de las piezas realizadas con impresión 3D con relieves elevados, Estas piezas no
pueden realizarse por otro proceso, ni por prensado ni por moldeo.
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Figura 18 Ejemplo de imitación de la estructura interna de un hueso mediante extrusión.
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Figura 19 Diferentes imágenes de la impresión de distintos diseños cerámicos planos y en volumen.
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FILTROS CERÁMICOS
Figura 20 Diferentes imágenes de filtros cerámicos. Estos materiales son de utilidad tanto en catalizadores
como en dispositivos de depuración de aguas.
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TELAS CERÁMICAS
Figura 21 Imágenes de la impresión de telas cerámicas, es decir con entramado de malla con muy bajo
espesor.
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CERÁMICA ARTÍSTICA
Figura 22 Diseño de pieza con acabado superficial especial.
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Figura 23 Diferentes diseños de piezas cerámicas esmaltadas y sin esmalta con atomizado de porosa blanco.
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GRES PORCELÁNICO
Figura 24 Figuras de gres porcelánico con elevada dureza para estar en contacto con agentes ambientales
agresivos. Filtros y hélices.
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GRES ROJO
Figura 25 Diferentes diseños de piezas decorativas. Lámpara.
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Figura 26 Diferentes diseños de piezas decorativas.
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Figura 27 Pieza con acabado superficial especial. Torsión.
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Figura 28 Distintos diseños de entramados cerámicos desde distancias de centímetros a un milímetro.
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Figura 29 Diseño de filtros cerámicos utilizados en la depuración de aguas.
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Figura 30 Diseño de celosías y microcelosías
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Y se preparó además un diseño de ordenador especial, mediante el cual, realizando repeticiones
se pueden realizar celosías completas y complejas,
Figura 31 Diseño de piezas unitarias que unidas son capaces de formar una celosía.
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Figura 32 Impresión en 3D en porosa blanca del diseño realizado.
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6.2. Geopolímeros
Figura 33 Diferentes intentos de impresión 3D de diferentes diseños de cubos.
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Figura 34 Diferentes intentos de impresión 3D de diferentes diseños de cubos.
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7. Tarea 6. Difusión
Se han realizado diversas tareas de difusión del proyecto:
7.1. - Notas de prensa en la Web del ITC
Se puede ver en el enlace:
http://webitc.itc.uji.es/notDestacada/Paginas/ElITCestudialaviabilidaddelaimpresi%C3%B3n3Dendi
stintostiposdematerialesinorg%C3%A1nicos,cer%C3%A1micosycomposites.aspx
Figura 35 Imagen de la difusión realizada a través de la WEB.
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7.2. - Presentación de resultados INFODAY
Figura 36 Imágenes del programa y la Jornada Info-day
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7.3. Presentaciones en congresos QUALICER 2016
Figura 37 Imagen del póster que será presentado en Qualicer 2016
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4.- Presentación de resultados en CEVISAMA 2016
Figura 38 Imagen del póster que será presentado en Cevisama 2016
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El presente informe nº expedido a petición de la firma AICE - INSTITUTO DE TECNOLOGÍA
CERÁMICA - ASOCIACIÓN DE INVESTIGACIÓN DE LAS INDUSTRIAS CERÁMICAS, consta de
una portada y 42 páginas.
Castellón, 29 de Enero de 2016
Dra. Mª Pilar Gómez Tena
Responsable del Laboratorio de Caracterización
Físico-estructural