Desenvolupament de nous materials basats en alúmina per fabricació additiva mitjançant estereolitografia
- Autores: Pol Barcelona Pons
- Directores de la Tesis: José Antonio Sánchez Padilla (dir. tes.), María Elena Xuriguera Martín (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de Barcelona ( España ) en 2023
- Idioma: catalán
- Tribunal Calificador de la Tesis: Irene Buj Corral (presid.), Joan Formosa Mitjans (secret.), Inés Ferrer Real (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería y Ciencias Aplicadas por la Universidad de Barcelona
- Materias:
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- Resumen
La estereolitografía (SLA) es la primera de las tecnologías de fabricación aditiva desarrollada. Ésta consiste en la fotopolimerización de una resina líquida por capas mediante la irradiación selectiva del área que formará parte del objeto 3D. Diferentes tecnologías basadas en SLA son las que se utilizarán en esta tesis doctoral. Se utilizarán dos equipos distintos; uno, basado en un sistema de proyección Digital Light Processing (DLP), y un segundo, que utiliza una fuente de LEDs UV y un sistema de enmascarado por pantalla Liquid-Crystal Display (LCD).
La SLA, a pesar de ser una tecnología desarrollada para la fabricación de objetos a partir de polímeros fotosensibles, se utiliza también para la obtención de materiales compuestos y cerámicos. La metodología es a nivel teórico sencillo, utilizar una suspensión estable de partículas embebidas en una matriz polimérica fotosensible. En el caso de materiales compuestos, se obtiene directamente el material final. Para los materiales cerámicos, se utilizan suspensiones mucho más concentradas y se utiliza el polímero como aglomerante, que después se eliminará en tratamientos térmicos posteriores, obteniendo así la pieza cerámica final.
Sin embargo, existen problemáticas habituales asociadas a la tecnología. La SLA requiere de suspensiones muy fluidas, que permitan una buena nivelación de la suspensión y su correcto flujo. Por el contrario, el procesado cerámico necesita suspensiones con concentraciones muy elevadas para asegurar una correcta densificación de la pieza y evitar la aparición de defectos. Ambos requisitos son contradictorios y, por tanto, es necesario llegar a un compromiso entre los dos. La eliminación de la parte polimérica requerirá de tratamientos térmicos muy controlados para evitar la aparición de grietas en las piezas finales.
En este trabajo se ha utilizado la incorporación de PEG 200 como diluyente no reactivo para mejorar la eliminación de la parte orgánica. Se ha logrado una suspensión estable al 77,5% de alúmina en peso, imprimible por SLA-DLP y que puede ser tratada térmicamente por la obtención de un material cerámico con velocidades de calentamiento más rápidas de las habituales.
Por lo que respecta al desarrollo de materiales compuestos, el interés se genera debido a las bajas propiedades mecánicas que presentan las resinas acrílicas. Esta falta de propiedades limita un uso más generalizado, de ahí que desarrollar mejores materiales esté en el punto de mira de los investigadores.
El objetivo de esta tesis en este sentido es formular y caracterizar distintas suspensiones cerámicas poco concentradas en partículas, para obtener materiales compuestos con propiedades mejoradas respecto a la resina base. Se ha seleccionado la alúmina como material cerámico de refuerzo.
Uno de los puntos clave de esta tesis ha sido la formulación de suspensiones suficientemente estables para utilizarse como tintas por la impresión de composites. Para ello, se han estudiado diferentes sistemas dispersantes en función de la resina base y el tipo de partícula empleada.
Se han obtenido suspensiones de diferentes alúminas con una concentración máxima del 15% en peso de polvo cerámico, que presentan módulos elásticos superiores a la resina base en el rango entre el 5 y el 10% de alúmina. Las mejoras son más notables en las probetas fabricadas mediante el equipo SLA-DLP, pasando de 220 MPa para la resina base a 600 MPa para las probetas reforzadas con un 10 % de alúmina, que para las probetas fabricadas con el equipo SLA -LCD, que se consigue un aumento de 750 MPa para la resina base hasta 890 MPa de módulo elástico máximo para las probetas reforzadas con un 5% de alúmina.
Adicionalmente, se han estudiado sistemas duales epóxido-acrílico como resina base para la incorporación de partículas de refuerzo. Estos sistemas presentan un curado térmico adicional a la fotopolimerización inicial, que mejora su rigidez, aumentando el módulo elástico final. Las resinas híbridas impresas alcanzan módulos elásticos de 2 GPa.
