Impresión 3d y 4d de materiales compuestos multifuncionales modificados con nanoestructuras de carbono
- Autores: Alejandro Cortés Fernández
- Directores de la Tesis: Alberto Jiménez Suárez (dir. tes.), Mónica Campo Gómez (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Rey Juan Carlos ( España ) en 2021
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Joaquin Rams Ramos (presid.), María Sánchez Martinez (secret.), María Rodríguez Gude (voc.), Silvia de la Flor López (voc.), Maria do Rasário Gomes Ribeiro (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Tecnologías Industriales: Química, Ambiental, Energética, Electrónica, Mecánica y de los Materiales por la Universidad Rey Juan Carlos
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
Las tecnologías de fabricación aditiva (AM) han logrado atraer en los últimos años el interés tanto de la comunidad científica como de la industria debido a las ventajas que estas presentan frente a las tecnologías de fabricación tradicionales. Entre ellas, la posibilidad de obtener componentes de geometría compleja en una única pieza sin uniones, ofreciendo prácticamente una total libertad en el diseño de dichos componentes. A su vez, la AM ofrece la posibilidad de personalización e incluso la obtención de piezas únicas sin incrementar significativamente los costes de fabricación, además de recortar eslabones de la cadena productiva.
Sin embargo, por el momento la variedad de materiales disponibles para las tecnologías de AM es limitada, siendo prácticamente inexistente la disponibilidad de materiales comerciales que permitan la obtención de estructuras inteligentes y/o multifuncionales. En este contexto, el desarrollo de materiales compuestos multifuncionales de matriz polimérica para tecnologías de AM supone un reto tecnológico de gran interés en el marco de la industria 4.0.
La presente Tesis Doctoral se enmarca en el desarrollo de materiales inteligentes para AM, basados en materiales compuestos multifuncionales de matriz termoestable dopados con nanoestructuras de la familia del carbono, como los nanotubos de carbono (CNT) y las nanoplaquetas de grafeno (GNP). En este sentido, se han desarrollado materiales multifuncionales para dos tecnologías de AM: Direct Write (DW) y Digital Light Processing (DLP).
En cuanto a la tecnología DW, adecuada para resinas de elevada viscosidad, se empleó para desarrollar satisfactoriamente circuitos impresos con capacidad de monitorización de la salud estructural (SHM) y calentamiento por efecto Joule para llevar a cabo tratamientos de post-curado autónomo y operaciones de anti-hielo y deshielo. El circuito optimizado logró alcanzar una temperatura media de 121 °C por efecto Joule, siendo capaz de eliminar una capa de hielo de 2.5 mm de espesor en un tiempo de 3.5 minutos. A su vez, el sistema fue capaz de compensar la temperatura media de la zona incrementando el voltaje aplicado al circuito en función del daño detectado en este a partir de la monitorización en tiempo real de la resistencia eléctrica del circuito. Este comportamiento permitiría activar el proceso de deshielo en servicio con la potencia mínima requerida en función del estado/daño del sistema.
Por otro lado, la tecnología DLP, adecuada para resinas de baja viscosidad, se empleó para desarrollar satisfactoriamente nanocomposites de geometría compleja con capacidad de SHM y calentamiento por efecto Joule para aplicaciones de impresión 4D, donde la cuarta dimensión es un cambio dimensional o de propiedades en el tiempo. En este contexto, se estudió la capacidad de memoria de forma activada térmicamente en función del método de calentamiento empleado, siendo estos: estufa convencional, lámpara infrarroja y efecto Joule.
El empleo de la lámpara infrarroja logró incrementar en un 94 % la velocidad de recuperación de la forma permanente para los nanocomposites en comparación con las probetas sin dopar debido a la mayor absorción de la radiación infrarroja por parte de los CNT. A su vez, la velocidad de recuperación mediante lámpara infrarroja fue un 80 % superior a la obtenida mediante estufa convencional debido a la menor eficiencia de esta última por la propia naturaleza del calentamiento por convección.
Finalmente, el calentamiento por efecto Joule mostró una eficiencia en la recuperación de forma por encima del 75 %, siendo esta ligeramente inferior a la obtenida en estufa o con lámpara infrarroja debido al calentamiento heterogéneo causado por la presencia de agregados de CNT. Sin embargo, la relativa elevada eficiencia en la recuperación de forma, combinada con la posibilidad de activar remota y selectivamente la recuperación de forma en distintas regiones de la probeta individualmente, así como la mayor velocidad de calentamiento en comparación con el resto de fuentes de calentamiento empleadas, hacen del calentamiento por efecto Joule una de las tecnologías más prometedoras e innovadoras para el desarrollo de materiales inteligentes con capacidad de memoria de forma.
