Mejora de las características superficiales de piezas obtenidas mediante fabricación aditiva

Abstract

La fabricación aditiva basada en la extrusión de material, conocida comúnmente como tecnología FFF (del inglés, Fused Filament Fabrication) o FDM (del inglés, Fused Deposition Modeling) es cada vez más utilizada en la industria para fabricar componentes y repuestos. En ciertos sectores, como el alimentario, se demandan piezas que tengan ciertas propiedades superficiales concretas, como son: baja rugosidad superficial, propiedades autolimpiantes y baja adherencia al hielo, entre otras. En la presente tesis se propone un método basado en el ajuste de ciertos parámetros de impresión con la intención de obtener piezas con superficies XY o XZ que tengan unas propiedades superficiales a demanda. En concreto, se ha estudiado la influencia de cinco parámetros (altura de capa, temperatura de impresión, velocidad de impresión, aceleración de impresión, flujo) en dos variables de salida: la rugosidad superficial y el ángulo de contacto de la superficie. El material utilizado en el estudio ha sido el tereftalato de polietileno glicol (PETG). Este compuesto es un material apenas estudiado (en comparación el ácido poliláctico -PLA- o al acrilonitrilo butadieno estireno -ABS-), pero que presenta propiedades muy interesantes como son: facilidad de impresión, resistencia a la corrosión, certificación para contacto con alimentos, estabilidad química, resistencia a los rayos UV, reciclabilidad y transparencia. El trabajo ha sido eminentemente práctico. Para alcanzar el objetivo fijado, se seleccionaron los parámetros para el estudio, se elaboró un diseño de experimentos, y se imprimieron las probetas correspondientes. A continuación, se midieron varias características superficiales: rugosidad superficial, ángulo de contacto de gota y ángulo de deslizamiento. Los resultados obtenidos fueron procesados haciendo uso de herramientas estadísticas y de algoritmos de clasificación basados en árboles de decisión. De los parámetros estudiados, solo dos se han relevado como determinantes en la rugosidad superficial y en la mojabilidad de las superficies estudiadas: el flujo y la aceleración de impresión. Según ANOVA y TAGUCHI, valores elevados de flujo y de aceleración de impresión proporcionan superficies XY con baja rugosidad superficial. El árbol de decisión generado por el algoritmo de clasificación J48 (C4.5) también indica que bajas velocidades de impresión, junto a valores elevados de flujo, también generan superficies XY con buen acabado superficial. Por el contrario, si se buscan superficies XY o XZ con baja mojabilidad (superficies hidrofóbicas), se deben de programar valores bajos de flujo y aceleración de impresión. Mediante un aparato fabricado in-house, se ha comprobado experimentalmente que las probetas XZ con menor ángulo de contacto (hidrofóbicas) presentan menor anclaje al hielo que las probetas XZ con mayor ángulo de contacto (hidrofílicas). Además del sector alimentario, estos resultados obtenidos pueden tener interés en otros sectores, como el dedicado al diseño y fabricación de drones y vehículos aéreos no tripulados. En estas aeronaves hay que evitar la formación de hielo en ciertos elementos, ya que pueden comprometer la sustentabilidad y/o el control del vehículo.

Additive manufacturing based on the extrusion of material, commonly known as FFF (Fused Filament Fabrication) or FDM (Fused deposition Modeling) is increasingly used in the industry to manufacture components and spare parts. In certain sectors, such as food industry, parts that have certain specific surface properties are in demand, such as: low surface roughness, selfcleaning properties and low adhesion to ice, among others. In this thesis, a method is proposed based on the adjustment of certain printing parameters with the intention of obtaining parts with XY or XZ surfaces that have surface properties on demand. Specifically, the influence of five parameters (layer height, printing temperature, printing speed, printing acceleration and flow) has been studied on two output variables: surface roughness and surface contact angle. The material used in the study was polyethylene terephthalate glycol (PETG). This polymer is a material that has hardly been studied (compared to polylactic acid -PLA- or acrylonitrile butadiene styrene -ABS-), but it has very interesting properties such as: easy printing, corrosión resistance, food contact certification, chemical stability, resistance to UV rays, recyclability and transparency. The work has been eminently practical. To achieve the objective, the parameters for the study were selected, a design of experiment was elaborated, and the corresponding test specimens were printed. After that, various surface characteristics were measured: surface roughness, drop contact angle, and slip angle. The results obtained were processed using statistical tolos and classification algorithms based on decision trees. Among the parameters studied, only two have been revealed as determinants: flow and printing acceleration. According to ANOVA and TAGUCHI, high flow and acceleration values provide XY surfaces with low surface roughness. The decision tree generated by the J48 (C4.5) classification algorithm also indicates that low print speeds, together with high flow values, also contribute to print XY surfaces with better surface finish. However, if XY or XZ surfaces with low wettability (hydrophobic or ultrahydrophobic) are sought, low flow and print acceleration values should be programmed. It has been experimentally verified using an in-house dispositive that the XZ specimens with a lower contact angle (hydrophobic) present less adhesion to ice than the XZ specimens with a higher contact angle (hydrophilic). In addition to the food sector, these results obtained may be of interest in other sectors, such as the one dedicated to the design and manufacture of drones and unmanned aerial vehicles. In these aircraft, it is necessary to avoid the formation of ice in certain elements, since they can compromise the sustainability and/or control of the vehicle.