ES2786098B2 - Material termoplástico de base ABS para impresión 3D mediante extrusión de filamentos y granza fundida - Google Patents

Description

DESCRIPCIÓN

Material termoplástico de base ABS para impresión 3D mediante extrusión de filamentos y granza fundida

Sector de la técnica

La invención se encuadra dentro del sector de producción de materiales. En el contexto de la fabricación aditiva, la presente invención procurará materiales con distintas propiedades que mejoran las de aquellos que se emplean convencionalmente, lo que será de aplicación en la fabricación industrial vinculada al sector naval, aeronáutico y de bienes de consumo, entre otros sectores.

Antecedentes de la invención

La fabricación aditiva comprende una serie de técnicas de fabricación industrial donde el principio fundamental consiste en elaborar, a partir de un modelo generado por diseño asistido por ordenador (3D-CAD), una pieza o elemento completo tridimensionales en un solo proceso. La base sobre la que estriba la fabricación aditiva es el crecimiento capa a capa del material: cada capa constituye una sección transversal de la pieza que se fabrica, de un espesor lo más fino posible (Gibson, l.; Rosen, D. W.; Stucker, B. Additive manufacturing technologies: rapid prototyping to direct digital manufacturing; Springer, 2010). Esta invención está enmarcada en la necesidad de encontrar nuevos materiales resistentes, confiables, duraderos y económicos para su uso en procesos de fabricación aditiva.

Dentro de las técnicas principales de fabricación aditiva (también comúnmente llamada impresión 3D) cabe destacar el modelado por deposición de fundido (MDF o FDM del inglés Fused Deposition Modeling). En esta técnica se hace pasar un filamento típicamente polimérico por un cabezal a una temperatura por encima de su punto de fusión (o temperatura de transición vítrea para polímeros amorfos). Este proceso provoca que el polímero fluya con una viscosidad determinada y permita ser extruido a través de una boquilla de diámetro conocido. Otra variante de la misma técnica consiste en usar como material de partida, directamente granza polimérica, en lugar de usar el material polimérico en forma de filamento. En ambos casos, una vez depositado el material, éste se enfría y solidifica, formando una capa de espesor uniforme. Este proceso de fusión y extrusión del filamento o granza se repite secuencialmente capa a capa, hasta completar la pieza o parte de pieza diseñada (Gibson, I.; Rosen, D. W.; Stucker, B. Additive manufacturing technologies: rapid prototyping to direct digital manufacturing; Springer, 2010).

Una de las limitaciones de la FDM es que actualmente no todos los materiales pueden imprimirse mediante esta técnica. La gran mayoría de los materiales comerciales que pueden ser utilizados a día de hoy son de tipo polímero termoplástico, o en su defecto constituyen la matriz del material (Ligon, S.C.; Liska, R.; Stampfl, J.; Gurr, M.; Mülhaupt, R. Polymers for 3D Printing and Customized Additive Manufacturing. Chemical Reviews. 2017). Estos materiales tienen en común un índice de fluencia característico, típicamente en el rango de 180-260 °C, que permite al material pasar a través a través de una boquilla y solidificar una vez ha sido depositado. Además, para una correcta impresión, la temperatura de la plataforma sobre la que se construye el material debe estar a una cierta temperatura por encima de la temperatura ambiente. Los filamentos utilizados se obtienen previamente mediante un proceso de extrusión en el que se hace uso de determinados materiales de partida, usualmente en forma granulada o granza. Excepto para filamentos de poliácido láctico (PLA), el resto de materiales termoplásticos usados en FDM con buenas propiedades mecánicas (por ejemplo, una resistencia a la tracción por encima de 25 MPa) requieren calentar la plataforma de impresión a temperaturas de al menos 90-100 °C, de forma que se logre una buena adhesión de la primera capa y se eviten problemas de warping (Nazan M. A.; Ramli F. R.; Alkahari M. R.; Abdullah M. A.; Sudin M. N. An exploration of polymer adhesión on 3D printer bed; IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2017).

En este contexto, la presente invención consiste en la elaboración de un material procesado en forma de granza o filamento aptos para usarse en FDM mediante mezcla de dos polímeros diferentes por extrusión. El nuevo producto presenta la ventaja de que permite su impresión en FDM sin necesidad de incrementar la temperatura de la plataforma por encima de temperatura ambiente. De esta forma, se consigue acelerar el proceso de impresión a la vez que se eliminan costes energéticos.

Explicación de la invención

A diferencia de los procesos de fabricación clásicos, la fabricación aditiva se realiza añadiendo material capa a capa para la obtención de piezas para uso industrial y de consumo. Las piezas fabricadas aditivamente se fabrican de forma automática y en un solo proceso más rápido y con menores mermas de material que en procesos convencionales de fabricación sustractiva. La implementación a escala industrial de estos nuevos procesos de producción se beneficia de reducción de costes energéticos, de modo que los procesos de fabricación aditiva resulten más rentables que los convencionales. La invención aquí descrita pretende dar solución al problema de la necesidad de elevar la temperatura de la plataforma de impresión 3D por encima de la ambiental. Esto es algo que se hace actualmente con muy pocos materiales, por ejemplo, con ácido poliláctico (PLA), pero que no es habitual para otros polímeros, por ejemplo, los producidos por polimerización de acrilonitrilo, butadieno y estireno (ABS), ampliamente utilizados.

En este sentido, se propone un nuevo material mediante mezclado en fundido de dos materiales termoplásticos en el interior de una extrusora. En particular, se ha trabajado con polímeros elastómeros termoplásticos de base poliuretano (TPU). Los polímeros TPU no requieren el calentamiento de la plataforma de impresión para una correcta adherencia de la primera capa. Sin embargo, sus propiedades mecánicas son pobres, en comparación con otros materiales poliméricos usados en ingeniería como el ABS y requieren una velocidad de impresión muy inferior, debido a su comportamiento viscoelástico en fundido. Debido a esto, se propone el desarrollo de una mezcla con composición controlada de forma que se genere una sinergia positiva y puedan tenerse buenas propiedades características de estos materiales.

En definitiva, el objetivo de la invención es proporcionar una solución al problema del coste energético y tiempo muerto que conlleva elevar la temperatura de la plataforma de impresión (aproximadamente 90 °C cuando se requiere imprimir materiales de base ABS en fabricación aditiva), aportando un nuevo material que permita mayor simplificación técnica que otros aplicados, al tiempo que se ha perseguido la mejora de propiedades de materiales de uso convencional en fabricación aditiva.

Para ello, se ha ideado un procedimiento para fabricar piezas con un contenido mayoritario en ABS, de forma que éste otorgue buenas propiedades mecánicas. El proceso tiene dos etapas: En primer lugar, se mezclan los dos polímeros en forma de granza en el interior de una extrusora (monohusillo o de doble husillo), en una proporción conocida de la que se obtiene un filamento polimérico con un diámetro constante o granza resultante de la mezcla de los dos polímeros de partida. Este filamento o granza se introduce posteriormente en una impresora de FDM, donde el único requerimiento es que el cabezal de la impresora alcance la temperatura de fusión del material, no siendo necesario, como lo es normalmente, elevar la temperatura de la plataforma de impresión por encima de la temperatura ambiente.

La aplicabilidad del nuevo material queda de manifiesto cuando se imprime un objeto deseado previamente cargado en la impresora en formato, .gcode manteniendo la plataforma a temperatura ambiente. Si se imprimen diferentes elementos, de entre ellos, probetas de tracción o impacto conforme con las normas ISO 527 que pueden ser ensayadas posteriormente para evaluar las propiedades mecánicas del nuevo material. Según lo observado mediante distintas técnicas microscópicas y espectroscópicas (microscopía de fuerzas atómicas y espectroscopia Raman) se observa que los objetos impresos tienen una distribución espacial de los dos polímeros a escala submicrométrica, es decir que no se aprecia macro ni microseparación de fases. Esto es claramente indicativo de una buena mezcla y afinidad entre los dos componentes de la mezcla polimérica, causado por interacciones supramoleculares debido a una naturaleza similar de los materiales. Estos resultados pueden extrapolarse a otras mezclas poliméricas de base polietileno (PE), polipropileno (PP), polimetilmetacrilato (PMMA), polimetilacrilato (PMA), poliestireno (PS) polietilentereftalato (PET), poliamida (PA), policarbonato (PC), polieteretercetona (PEEK), polisulfona (PSU), poliimida (Pl) u otros polímeros termoplásticos de acuerdo con el conjunto de normas ⁱS^o /TC 61/SC 9 en general en lugar de ABS o combinados con ABS; además, estas mezclas pueden incluir copolímeros o derivados como el ASA (Acrilonitrilo-estierno-acrilato), que son derivados de PS y PMA. Asimismo, pueden utilizarse elastómeros termoplásticos de base poliéster-éter (TPE), estireno-butadieno (TPS), poliamida (TPA), con mezcla de caucho vulcanizado (TPV) o cualquier elastómero termoplástico de acuerdo con la norma ISO 18064:2014 en lugar de TPU o combinados con TPU, así como materiales que incluyen nanoaditivos de cualquier característica. El proceso de mezclado también se puede llevar a cabo en una extrusora de doble husillo en lugar de una extrusora monohusillo.

El nuevo material propuesto en esta patente podrá realizarse mediante los siguientes pasos aquí desarrollados:

1. Se toma el material polimérico de partida previamente secado según fabricante en forma de granza. El proceso puede realizarse a escalas que van desde las decenas de gramos hasta kilogramos o mayores producciones de carácter industrial. Se introduce esta mezcla en la alimentación de una extrusora (monohusillo o doble husillo) previamente limpiada y purgada. La extrusora es un equipo que consiste en uno o dos tornillos sin fin (monohusillo o doble husillo, respectivamente) que giran a una velocidad constante. En su interior, una o varias zonas están controladas a una temperatura determinada, igual o superior a la temperatura de fusión del material a extruir, de forma que fluya en su interior. En el caso de mezclas, deberá ajustarse la relación en la alimentación al porcentaje final en peso de polímero que se desee.

2. Se realiza la extrusión de este polímero o mezcla polimérica a una temperatura superior a su temperatura de fusión. La combinación de estos parámetros provoca el flujo del material en su interior a una velocidad de cizalla que genera una mezcla perfecta de los componentes introducidos en la alimentación.

3. El material de salida de la extrusora monohusillo será un filamento con una composición homogénea y de un diámetro nominal de 1.75 mm, apto para su uso en impresoras 3D convencionales de tipo FDM.

4. El filamento obtenido y debidamente bobinado se colocará en la zona de alimentación de una impresora 3D que funcione mediante extrusión polimérica para su correcta impresión 3D. En el caso de que la impresora 3D funcione con granza en lugar de filamento, el material obtenido en la extrusora deberá ser correctamente pelletizado. En cualquier caso, la temperatura del cabezal de impresión se elevará por encima del punto de fusión (Tm) para materiales poliméricos cristalinos o 100 °C por encima de su temperatura de transición vítrea (Tg) en el caso de polímeros amorfos. Esta temperatura coincidirá con la de la extrusora.

5. La temperatura de la plataforma podrá elevarse a cualquier temperatura. Sin embargo, esto no es necesario, dado que el material introducido es capaz de adherirse satisfactoriamente a la plataforma de impresión sin necesidad alguna de incrementar la temperatura por encima de la temperatura ambiente.

6. Se elige un archivo digital de impresión 3D (formato .gcode), se carga en la impresora y se procede a su fabricación.

7. Se comprueba mediante inspección visual que la impresión ha sido satisfactoria. Para un estudio más riguroso puede usarse un perfilómetro óptico o un microscopio digital.

Realización preferente de la invención

Un ejemplo de elaboración es el que sigue: 70g de ABS (previamente secado en estufa al menos 4h a 60 °C) junto con 30g de TPU en forma de granza son introducidos en la alimentación de una extrusora monohusillo previamente limpiada cuya temperatura ha sido previamente elevada a 230 °C. Se procede a la extrusión de la mezcla a 45 rpm y se obtiene un filamento con diámetro controlado de 1.75 mm. Los primeros 40 cm de filamento obtenido se desechan para evitar impurezas en el material. Uno de los extremos de este filamento se introduce en el cabezal de una impresora tipo FDM cuya temperatura ha sido elevada previamente a 230 °C para una correcta impresión. La temperatura de la plataforma se mantiene igual a la temperatura ambiente. Se establece una velocidad de impresión por defecto de 30 mm/s y una altura de capa de 0.2 mm. Se purgan los primeros 5 centímetros de material y posteriormente se procede a la impresión de un modelo previamente cargado en formato digital (archivo tipo .gcode). Se observa que la pieza imprimida cumple con los patrones de calidad requeridos, similares a los de una pieza tipo ABS puro.

Aplicación industrial

La invención describe un nuevo material susceptible de ser elaborado en granza o filamento para su uso en procesos de fabricación aditiva. Este material procede de materiales poliméricos adquiribles en gran cantidad, por lo que se prevé su aplicación industrial es directa, en equipos de modelado por deposición de fundido tanto en pequeño como en gran formato.

El problema con la mayoría de los materiales susceptibles de ser usados en FDM es que la primera capa presenta una pobre adhesión a la plataforma de impresión a no ser que se eleve la temperatura de dicha plataforma por encima de una temperatura umbral, típicamente de 90 °C para polímeros de base ABS. Una vez demostrada una buena adherencia de la primera capa sobre la plataforma de una impresora FDM, se demuestra que las propiedades mecánicas de este nuevo material son satisfactorias para gran número de aplicaciones industriales. Los materiales desarrollados según la presente invención estarán vinculado a las técnicas de fabricación aditiva y su implantación a escala industrial, como queda indicado en el estado de la técnica.

Con vistas a dicha implementación del proceso de fabricación aditiva por FDM, también el procedimiento para la elaboración de filamentos o de granza deberá ser escalado al objeto de alcanzarse una producción de materiales de partida acorde a las necesidades de una eventual empresa desarrollada a partir de las tecnologías descritas en la presente invención.

Claims (3)

REIVINDICACIONES

1. Material para la fabricación aditiva mediante extrusión de filamentos o granza fundida sin necesidad de calentamiento de la plataforma de impresión compuesto por un 70% de ABS y un 30% de TPU en peso.

2. Procedimiento de obtención de un material para la fabricación aditiva mediante extrusión de filamentos o granza fundida sin necesidad de calentamiento de la plataforma de impresión, que consiste en colocar el material, según reivindicación 1, en una extrusora previamente calentada a una temperatura superior a 180 °C para obtener un filamento con diámetro controlado.

3. Uso del material para la fabricación aditiva sin necesidad de calentamiento de la plataforma de impresión según las reivindicaciones anteriores, que consiste en introducir el filamento obtenido según procedimiento descrito en la reivindicación 2 en el cabezal de una impresora tipo FDM cuya temperatura de impresión es superior a la temperatura de fusión Tm para polímeros (semi)cristalinos o Tg 100 °C para polímeros amorfos.