Análisis y mejora del comportamiento dimensional de termoplásticos impresos en 3D mediante modelado por deposición fundida sometidos a un proceso de tratamiento térmico

Abstract

[ES] En la actualidad, el modelado por deposición fundida (FDM) es el tipo de tecnología de fabricación aditiva más difundida y estudiada dada su facilidad de uso y economía de proceso. No obstante, debido a las anisotropías generadas durante el proceso aditivo, las piezas fabricadas mediante FDM presentan limitaciones en su uso funcional. Estas anisotropías dependen de los parámetros del proceso y pueden provocar variaciones dimensionales y cambios en las propiedades mecánicas de las piezas. Para mejorar dichas características, se puede recurrir a diversos post-procesos como el tratamiento térmico. Sin embargo, durante su aplicación se pueden producir variaciones dimensionales en las piezas tratadas que reduzcan o anulen su aplicabilidad industrial.

En la presente Tesis Doctoral se ha abordado el estudio del comportamiento dimensional de piezas fabricadas mediante FDM sometidas a tratamiento térmico. Se ha evaluado una propuesta de mejora en el post-proceso consistente en el uso de un molde de polvo cerámico compactado alrededor de las piezas a fin de minimizar la aparición de deformaciones durante el tratamiento térmico. El estudio de las deformaciones durante el post-procesado térmico se ha focalizado en los dos materiales termoplásticos más empleados en FDM, el ácido poliláctico (PLA) y el acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), de naturaleza semicristalina y amorfa respectivamente. Se han analizado las variaciones dimensionales sufridas por las piezas durante el tratamiento térmico, considerando la influencia de la orientación de las líneas depositadas, la temperatura del tratamiento y el uso del molde de polvo cerámico. Para evaluar la mejora aplicada en el post-procesado térmico, se ha definido y analizado la eficacia del molde con las mismas variables del estudio dimensional. A fin de poder predecir las deformaciones sufridas por las piezas tratadas y la eficacia del molde en un amplio rango de temperaturas, se ha realizado una aproximación polinómica con los resultados obtenidos experimentalmente.

[CA] Actualment, el modelatge per deposició fosa (FDM) és el tipus de tecnologia de fabricació additiva més difosa i estudiada atesa la facilitat d'ús i economia de procés. Això no obstant, a causa de les anisotropies generades durant el procés additiu, les peces fabricades mitjançant FDM presenten limitacions en el seu ús funcional. Aquestes anisotropies depenen dels paràmetres del procés i poden provocar variacions dimensionals i canvis a les propietats mecàniques de les peces. Per millorar aquestes característiques, es pot recórrer a diversos postprocessos com el tractament tèrmic. No obstant això, durant la seva aplicació es poden produir variacions dimensionals a les peces tractades que redueixin o anul·lin la seva aplicabilitat industrial.

En aquesta Tesi Doctoral s'ha abordat l'estudi del comportament dimensional de peces fabricades mitjançant FDM sotmeses a tractament tèrmic. S'ha avaluat una proposta de millora en el post-procés consistent en l'ús d'un motlle de pols ceràmic compactat al voltant de les peces per tal de minimitzar l'aparició de deformacions durant el tractament tèrmic. L'estudi de les deformacions durant el post-processat tèrmic s'ha focalitzat en els dos materials termoplásticos més empleats en FDM, l'àcid poliláctico (PLA) i l'acrilonitrilo butadien estireno (ABS), de naturalesa semicristalina i amorfa respectivament. S'han analitzat les variacions dimensionals sofrides per les peces durant el tractament tèrmic, tenint en compte la influència de l'orientació de les línies dipositades, la temperatura del tractament i l'ús del motlle de pols ceràmic. Per avaluar la millora aplicada en el post-processat tèrmic, s'ha definit i analitzat l'eficàcia del motlle amb les mateixes variables de l'estudi dimensional. Per tal de poder predir les deformacions patides per les peces tractades i l'eficàcia del motlle en un ampli rang de temperatures, s'ha fet una aproximació polinòmica amb els resultats obtinguts experimentalment.

[EN] Nowadays, fused deposition modeling (FDM) is the most widespread and studied additive manufacturing technology due to its ease of use and process economics. However, due to the anisotropies generated during the additive process, FDM fabricated parts have limitations in their functional use. These anisotropies depend on the process parameters and can lead to dimensional variations and changes in the mechanical properties of the parts. Various post-processes, such as heat treatment, can be used to improve these characteristics. However, during its application, dimensional variations can occur in the treated parts that reduce or make their industrial applicability impossible.

In this Thesis, the dimensional behavior of FDM parts subjected to heat treatment has been studied. A post-processing improvement proposal consisting of using a compacted ceramic powder mould around the parts to minimize deformations during the heat treatment has been evaluated. The study of deformations during thermal post-processing has focused on the two most widely used thermoplastic materials in FDM, polylactic acid (PLA) and acrylonitrile butadiene styrene (ABS), with semi-crystalline and amorphous nature respectively. For this purpose, standard specimens coded according to different internal geometries were manufactured. The dimensional variations suffered by the parts during the heat treatment have been analyzed considering the influence of the orientation of the deposited lines, the material used, the treatment temperature and the use of the ceramic powder mould. To evaluate the thermal post-processing improvement, the effectiveness of mould has been defined and analyzed with the same variables of the dimensional study. To predict the deformations suffered by the treated parts and the efficacy of the mould in a wide range of temperatures, a polynomial approximation has been fitted to the results obtained experimentally.