Estudi, anàlisi i optimització de les condicions del procés d impressió 3D amb Tough PLA (T-PLA).

Abstract

[CA] El PLA (àcid polilàctic) ha guanyat molta presència en el món dels materials degut a la seua biodegradabilitat, i encara més en el cas de la impressió 3D FDM (Fused Deposition Modeling) desplaçant a l’ABS (acrilonitril butadié estiré) com a material d’accés a la tecnologia, degut a diversos motius: En primer lloc, és molt més fàcil d’imprimir amb ell, ja que la seua adherència és millor, i presenta una contracció reduïda, de forma que s’evita el warping (fenomen pel qual la peça, degut a la contracció, s’alça del llit). A més a més, durant la impressió, l’ABS emet olors, partícules i compostos orgànics volàtils (COV), com l’estiré, l’al·lilbenzé, o el tolué, els quals són nocius per a la salut; per contra, el PLA és un material molt més amable en este aspecte. No obstant això, el PLA presenta un problema: té un comportament fràgil, la qual cosa limita molt les seues aplicacions. És per aquest motiu que durant els últims 20 anys s’ha investigat en com millorar les seues propietats, arribant finalment al Tough PLA (d’ara en avant, TPLA). Es coneix sota este nom al conjunt de modificacions del PLA per transformar-lo en un material dúctil i tenaç. És un incipient material per a la impressió 3D, degut a que no només manté la facilitat de impressió del PLA estàndard o la seua biodegradabilitat, sinó que alcança les propietats mecàniques i el comportament dúctil de l’ABS. Una mostra de la importància d’este material en la actualitat, és que en els últims dos anys les investigacions científiques sobre ell han augmentat de forma notòria, i empreses com Mitsubishi Chemical o Ultimaker ja ofrenen filament de TPLA. Malgrat això, les formes d’aconseguir PLA són nombroses, i la composició exacta dels PLA comercials no és coneguda; a més a més, és un material que encara té que optimitzar-se per a impressió 3D. És per tot açò que este projecte es presenta com una investigació de la composició i el comportament de PLA comercial, comparant-lo amb la resta de materials típics d’impressió 3D, a saber: PLA, ABS, i PETG, i amb l’objectiu d’establir les condicions ideals per al seu ús en aquesta tecnologia, mitjançant un disseny d’experiments.

[ES] El PLA (ácido poliláctico) ha ganado mucha presencia en el mundo de los materiales debido a su biodegradabilidad, y todavía más en el caso de la impresión 3D FDM (Fused Deposition Modeling) desplazando al ABS (acrilonitrilo butadieno estireno) como material de acceso a la tecnología, debido a diversos motivos: En primer lugar, es mucho más fácil imprimir con él, ya que su adherencia es mejor, y presenta una contracción reducida, de forma que se evita el warping (fenómeno por el que la pieza se levanta de la cama debido a la contracción). Además, durante la impresión, el ABS emite olores, partículas y compuestos orgánicos volátiles (COV), como el estireno, el alilbenzeno, o el tolueno, los cuales son nocivos para la salud; por el contrario, el PLA es un material mucho más amable en este aspecto. No obstante, el PLA presenta un problema: tiene un comportamiento frágil, cosa que limita mucho sus aplicaciones. Es por este motivo que durante los últimos 20 años se ha investigado sobre cómo mejorar sus propiedades, llegando finalmente al Tough PLA (de ahora en adelante, TPLA). Se conoce bajo este nombre al conjunto de modificaciones del PLA para transformarlo en un material dúctil y tenaz. Es un incipiente material para la impresión 3D, debido a que no sólo mantiene la facilidad de impresión del PLA estándar o su biodegradabilidad, sino que alcanza las propiedades mecánicas y el comportamiento dúctil del ABS. Una muestra de la importancia de este material en la actualidad, es que en los últimos dos años las investigaciones científicas sobre él han aumentado de forma notoria, y empresas como Mitsubishi Chemical o Ultimaker ya ofrecen filamento de TPLA. A pesar de esto, las formas de conseguir TPLA son numerosas, y la composición exacta de los TPLA comerciales no es conocida; además, es un material que todavía tiene que optimizarse para impresión 3D. Es por todo esto que este proyecto se presenta como una investigación de la composición y el comportamiento de TPLA comercial, comparándolo con el resto de materiales típicos de impresión 3D, a saber: PLA, ABS, y PETG, y con el objetivo de establecer las condiciones ideales para su uso en esta tecnología, mediante un diseño de experimentos.

[EN] PLA (polylactic acid) has raised its presence in the materials world due to its biodegradability, and even more in the case of FDM 3D printing (Fused Deposition Modeling), by substituting ABS (acrylonitrile butadiene styrene) as the entry material to this technology, and that is because of many reasons: First, it is a much easier material to print with, as its adherence is far better, and it also presents a reduced contraction, in a way that warping (phenomena in which the piece unsticks from the hot bed due to contraction) is prevented from happening. In addition, during printing, ABS emits odours, particles and volatile organic compounds (VOC), like styrene, allylbenzene, or toluene, which are harmful for human health; on the contrary, PLA is a much more kind material in this aspect. Nevertheless, PLA presents a problem: its fragile behaviour, which highly limits its applications. For this reason, during the last 20 years, research has been done in order to find new ways to improve its properties, finally reaching Tough PLA (from now on, TPLA). It is known under this name to all PLA modifications that transform it into a ductile and tenacious material. It is an emerging material for 3D printing, not only because it keeps the printing easiness of standard PLA, or because its biodegradability, but also because it can reach both mechanical properties and ductile behaviour of ABS. So important this material has become, that over the last two years, scientific investigations have grown prominently, and companies like Mitsubishi Chemical or Ultimaker already offer TPLA filaments. In spite of this, ways of producing TPLA are numerous, and the exact composition of commercial TPLA is not known; also, it is a material that still has to be optimized for 3D printing. This is the main reason why this project is presented as a composition and behaviour research of a commercial TPLA, comparing it to the rest of typical materials for 3D printing, like PLA, ABS and PETG, with the aim to stablish the ideal conditions for its use within this technology, by means of a design of experiments.