Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

43
Viabilidad de la IMPRESION 3D de nuevos materiales inorgánicos, cerámicos y composites. Informe nº Nº de páginas 42 AICE - INSTITUTO DE TECNOLOGÍA CERÁMICA - ASOCIACIÓN DE INVESTIGACIÓN DE LAS INDUSTRIAS CERÁMICAS Castellón, 29 de Enero de 2016

Transcript of Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

Page 1: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

Viabilidad de la IMPRESION 3D de nuevos materiales inorgánicos, cerámicos y composites. Informe nº Nº de páginas 42 AICE - INSTITUTO DE TECNOLOGÍA CERÁMICA - ASOCIACIÓN DE INVESTIGACIÓN DE LAS INDUSTRIAS CERÁMICAS Castellón, 29 de Enero de 2016

Page 2: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

1/42

1. Antecedentes

En el presente informe se muestras los principales resultados obtenidos en las tareas realizadas de la Actividad 2: Aplicación de la impresión 3D a la bioingeniería del proyecto con número de expediente IMAMCA/2015/1 3DPRINT.

El objetivo de esta actividad, es estudiar la viabilidad de la utilización de técnicas aditivas con estos nuevos materiales y/o materiales cerámicos avanzados, asimismo, diseñar las bases de un posible prototipo o adaptación del material de partida que sean susceptibles de ser utilizados mediante técnicas aditivas. El alcance de esta actividad es parte de una iniciativa más amplia hacia el avance en el estado de la técnica de los materiales de AM mediante la modificación de materias primas cerámicas y sus propiedades fundamentales materiales utilizando materiales orgánicos y/o inorgánicos y el desarrollo de técnicas de fabricación aditiva novedosos que incorporan nuevas funcionalidades y / o aumento de rendimiento significativo.

Este proyecto es continuación del proyecto presentado en el 2014, mientras que en el 2014 se estudiaba la impresión de biomateriales (plásticos biocompatibles) y se diseñaba un prototipo, en el proyecto de 2015, se investigan la aplicación de estas técnicas a otros tipos de materiales inorgánicos, cerámicos, composites, … y ver las posibilidades técnicas y de mercado de estos materiales en la impresión 3D.

Las tareas realizadas dentro de esta actividad han sido:

Tarea 1. Trabajos de coordinación general

En esta tarea se contempla:

• Celebración de reuniones periódicas entre los participantes en el desarrollo del proyecto, para discutir los resultados que se vayan obteniendo en cada una de las tareas del paquete de trabajo.

• Coordinación y programación de las acciones a desarrollar en el proyecto y redacción de la memora final.

Tarea 2. Estudio del estado del arte

Se ha llevado a cabo el estudio del arte de la impresión 3D, para ello ha buscado información sobre las diferentes técnicas de impresión existentes en el mercado, haciendo especial hincapié en la técnica de la extrusión. Se ha hecho una búsqueda sobre los avances en impresión 3D en cerámica mediante la técnica de extrusión y si se han utilizado otro tipo de materiales distintos a los materiales plásticos con esta metodología de impresión 3D. Se han determinado los requisitos que deben cumplir los materiales para ser utilizados en las técnicas. El objetivo será ver las posibilidades de impresión 3D para materiales cerámicos o materiales especiales como geopolímeros, composites….mediante la técnica de extrusión.

Tarea 3. Selección del material y caracterización

Se ha llevado a cabo la selección de los materiales de materiales que habitualmente se utilizan en este campo y aquellos que pueda ser susceptible su uso. Se contempla el uso de materiales orgánicos y cerámicos. La caracterización de los materiales se llevará a cabo atendiendo principalmente a su naturaleza. Los ensayos que se contemplan para poder llevar a cabo su caracterización son ensayos de análisis dilatométricos, difracción de rayos X, distribución de tamaño de partícula, análisis químicos y diversos ensayos cerámicos.

Tarea 4. Adaptación del material para la impresión 3D

Los materiales seleccionados deberán ser adecuados para su uso en impresión 3D. Atendiendo a la técnica escogida (extrusión), éstos deberán de cumplir unos requisitos. En esta tarea se realizarán los tratamientos necesarios para poder utilizar un determinado material en la impresión 3D.

En principio se estudiará la viabilidad de tres tipos de materiales

Page 3: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

2/42

• Cerámicos • Geopolímeros • Composites

Tarea 5. Estudio y caracterización de prototipos

Tras la adecuación del material para poder ser utilizado en la impresión 3D se ha llevado a cabo el modelado y la impresión de los prototipos. A partir de los prototipos generados se ha realizado el estudio y la caracterización de los distintos prototipos, analizando las propiedades que le confiere al prototipo la utilización un determinado material para su elaboración.

Tarea 6. Difusión de los resultados

Finalizada la ejecución del proyecto se contempla la difusión de los resultados obtenidos a lo largo del mismo. Las acciones de difusión exactas se irán concretando en las reuniones técnicas y de coordinación desarrolladas a lo largo del proyecto. A tenor de los resultados obtenidos, se decidirá la idoneidad de los medios para su difusión.

Tarea 2. Estudio del estado del arte

Se llevará a cabo el estudio del arte de la impresión 3D, para ello se estudiarán las diferentes técnicas de impresión existentes en el mercado, se analizarán los sectores en los que se utiliza y los sectores susceptibles de utilizarse. Se decidirá para cada una de las tipologías de producto con las que se quiere trabajar, la técnica más adecuada. Junto con lo anterior, se determinarán los requisitos que deben cumplir los materiales para ser utilizados en las técnicas.

El objetivo será ver las posibilidades de impresión 3D para materiales cerámicos o materiales especiales como geopolímeros, composite.

2. Sistemas de impresión 3D

2.1. Introducción

La impresión 3D es un tecnología que permite crear objetos tridimensionales a partir de un modelo digital utilizando procesos aditivos con aporte de material. Durante los últimos años, la tecnología de impresión 3D ha experimentado un importante avance, que ha repercutido en la reducción del coste de los equipos. Además, la posibilidad de emplear el código abierto para el software, esta incrementando su expansión y su incorporación en múltiples sectores.

Actualmente, se pueden destacar algunos campos de aplicación de las impresoras 3D:

• En los campos del diseño y la ingeniería , la tecnología de impresión 3D permite obtener una pieza física a partir de un modelo digital y así poder corregir algún defecto o hacer alguna modificación, reduciendo tiempos y costes. En el caso del material cerámico 1 , se están produciendo importantes avances en el desarrollo y adaptación de técnicas y materiales para la impresión 3D.

• En el campo de la arquitectura 2 3, se están empleando impresoras para la construcción de edificios, que en un futuro, permitirán reducir los costes, tiempos e impactos ambientales en la construcción.

• En el ámbito doméstico 4, la impresión por medio de plásticos de pequeños objetos cotidianos para el usuario, se encuentras actualmente al alcance de cualquiera.

1 http://elpais.com/elpais/2015/12/31/ciencia/1451556922_109596.html 2 (http://3dprint.com/38144/3d-printed-apartment-building/

3 (http://tecnologia.elpais.com/tecnologia/2015/12/16/actualidad/1450269574_416701.html 4 (http://impresoras3d.com/)

Page 4: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

3/42

• En el sector sanitario 5, la aplicación de esta tecnología es cada vez mayor y se están realizando grandes avances en la producción de prótesis, tejidos y órganos personalizados para cada paviente.

• Otra aplicación interesante, consiste en la posibilidad de imprimir piezas en la Estación Espacial Internacional 6 enviando el modelo desde la tierra, dando la posibilidad de fabricar piezas para recambios en la misma estación sin tener que esperar el aprovisionamiento por parte de otra nave.

• Otro campo en el que hay mucho desarrollo es en el de la impresión 3D de comida 7. Existen varias marcas comerciales que están planteando sacar al mercado, impresoras de comida.

2.1.1. Clasificación

En este punto se realiza una clasificación de las diversas tecnologías de impresión 3D existentes en el mercado. La clasificación de las diferentes tecnologías, se ha establecido en base a 4 grandes familias:

1. Solidificación de material 2. Deposición por inyectores 3. Extrusión 4. Laminado

En cada una de las familias, se han incorporado las diferentes tecnicas existentes y el tipo de material empleado en la impresión (metal, termoplásticos, cerámica), tal y como se recoge en la Tabla1:

Tabla 1.Clasificación de la Tecnologías de impresión 3D.

A continuación se describen brevemente las principales técnicas de las 4 familias. Posteriormente se prestará especial atención a la técnica de impresión 3D mediante extrusión, al ser la técnica empleada durante el desarrollo del proyecto.

5 http://impresora3dprinter.com/trasplante-de-rostro-de-26-horas-se-hace-posible-gracias-a-la-impresion-

3d/2015/11/20/ 6 http://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/news/3Dratchet_wrench 7 https://www.naturalmachines.com/

Page 5: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

4/42

2.2. Sistemas de Extrusión Se prestará especial atención a las técnicas de impresión 3D basadas en el proceso de extrusión, al ser la técnia empleada durante el desarrollo del proyecto. Para la clasificación de las diversas técnicas se diferencia entre los sistemas de extrusión en caliente y los sistemas de extrusión en frío.

2.2.1. En caliente

2.2.1.1. FDM (Fused Deposition Modelling) 8

Fue inventada por Scott Crump quien también es fundador de Stratasys. El término Fused Deposition Modelling y su acrónimo FDM están registrados por Stratasys Inc. El término equivalente fused filament fabrication (FFF) fue elegido por los miembros del proyecto RepRap para sortear esta restricción.

2.2.1.2. Printing transparent glass in 3-D9

Enlace:

http://news.mit.edu/2015/3-d-printing-transparent-glass-0914

Tecnología: Un equipo de investigadores MIT (Neri Oxman, Peter Houk, John Klein y Michael Stern) ha abierto una nueva frontera en la impresión 3D: la capacidad para imprimir objetos de vidrio ópticamente transparente.

2.2.1.3. DMD (Direct Metal Deposition) 10

La deposición de metal directa (DMD) es una avanzada tecnología de fabricación aditiva utilizada para reparar y reconstruir componentes dañados y desgastados o bien para fabricar nuevos componentes. DMD produce piezas completamente densas, piezas metálicas funcionales directamente de los datos CAD, mediante el depósito de polvos metálicos, pixel por pixel, mediante fusión por láser y la integridad material.

2.2.2. En frío

2.2.2.1. Material11

Tecnología: Consiste en extrudir un filamento de un material no especificado que inmediatamente es secado con aire. La boquilla de extrusión y el sistema de secado está montada en un brazo de robot. La mayor ventaja es que no construye secciones del objeto, sino que crea líneas en el espacio.

2.2.2.2. CC (Contour Crafting)12

Tecnología: Es un sistema desarrollado por el Dr. Behrokh Khoshnevis de la Universidad de California del Sur, basado en la extrusión de hormigón con el objetivo de automatizar el proceso constructivo de los edificios. Está desarrollado por la Universidad Southern California. Se trata de una construcción prefabricada en la que no es necesario que todas las piezas sean iguales ya que no se basa en un molde sino en un sistema constructivo robotizado.

8 http://www.stratasys.com/ 9 http://news.mit.edu/2015/3-d-printing-transparent-glass-0914 10 http://www.pomgroup.com/ 11 http://www.mataerial.com/ 12 http://www.contourcrafting.org/

Page 6: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

5/42

2.2.2.3. Building bytes13

Tecnología: Desarrollado por el alumno Brian Peters del European Ceramic Work Centre in the south of the Netherlands. Presentó su 3D printer basada en Fused Deposition Modelling (FDM) en octubre de 2012. Material: Cerámica

2.2.2.4. Fabclay14

Tecnología: Utiliza un sistema similar al FDM y a Ceramic Futures.

Material: Cerámica

2.2.2.5. Cerámic Futures (Harvard)15

Tecnología: Proyecto patrocinado por ASCER bajo la dirección de Martin Bechthold (Robotics group de Harvard). El sistema propuesto es similar a la FDM. La boquilla está montada sobre un brazo de robot para permitir la deposición de la cerámica de forma libre. Utiliza Rhino y Grashopper para definir la forma de las piezas y generar los recorridos de la boca de extrusión. El material se deposita sobre unos moldes configurables de pins que también se definen en los mismos programas. Material: Cerámica

2.2.2.6. Pylos16

Tecnología: El investigador Sofoklis Giannakopoulos del Institute for Advanced Architecture of Catalonia (IAAC) ha presentado Pylos , una impresora 3D como método de construcción a gran escala, con el empleo de materiales naturales, biodegradables, baratos, reciclables, locales y que todos conocemos: la tierra. Material que despierta, un innegable interés sobre todo en esta época de crisis económica y ambiental. Material: Cerámica

Figura 1 Proceso de impresión Pylos.

of economic and environmental crisis.

2.2.2.7. Delta y Big Delta 17

Tecnología: Esta tecnología ha sido desarrollada por la compañía italiana WASP (World’s Advanced Saving Project). Las impresoras Delta 20 40 están desarrolladas para la impresión de materiales termoplásticos, aunque también permite adaptarse a materiales cerámicos. Este tecnología de impresión, dispone de una fase de calentamiento del material y un control de la temperatura ambiente, garantizan una retracción controlada de material y mejores resultados a nivel de la impresión final de los prototipos. Esta tecnología permite la impresión de otros materiales (porcelana, arcilla,etc), mediante la adaptación de varios accesorios del dispositivo (boquilla, depósito, etc).

Material: PLA, ABS, nylon, polímeros elásticos, poliestireno, ABA ILAB.

13 http://www.3ders.org/articles/20121101-3d-printed-ceramic-bricks-developed-for-large-scale-construction.html 14 http://www.fabclay.com/ 15 http://www.gsd.harvard.edu/#/projects/ceramic-futures.html 16 http://pylos.iaac.net/main.html#main 17 http://www.wasproject.it/w/

Page 7: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

6/42

3. Sistemas de digitalización 3D El concepto de "Digitalización 3D", apareció a finales de la década de los 90, designa las técnicas de adquisición de medidas tridimensionales para convertir cualquier elemento físico en un modelo tridimensional y virtual en el ordenador.

La digitalización ofrece soluciones a diferentes sectores industriales (mecanizado, automoción, medicina ortopedia, calzado, mueble, arquitectura, arte, diseño, animación, arqueología) para control de calidad, verificación de piezas, diseño de moldes, etc. Es un proceso que nos permite capturar puntos de medida con precisión y velocidad, pudiéndose emplear sobre distintos tipos de objetos, con distintas dimensiones, geometrías y texturas y llevar esos puntos a un software CAD 3D, ya sea para generar un modelo tridimensional u obtener puntos para control de calidad industrial o verificación de piezas industriales. Se pueden digitalizar objetos de cualquier tamaño, independientemente del nivel de detalle o de la complejidad de la superficie, en el establecimiento del cliente o en oficinas, en interiores o exteriores.

Además, esta tecnología permite la realización rápida de prototipos 3D, catálogos 3D, archivado de modelos en 3D, ingeniería inversa de un modelo, control dimensional de una pieza mediante comparación con archivo CAD, análisis de formas complejas,medidas antropométricas, fabricación de prótesis, etc.

Existen distintos sistemas de digitalización 3D, que principalmente se pueden dividir en dos grandes grupos:

• Sistemas con contacto • Sin contacto con el objeto a digitalizar

Figura 2 Imágenes digitalización 3D de varios objetos.

4. Tarea 3. Selección del material y caracterizació n

Para el desarrollo de esta tarea se han seleccionado tres tipologías de materiales:

Figura 3 Distintas tipologías de materiales con los que se ha desarrollado el proyecto de impresión 3D.

Page 8: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

7/42

4.1. Materiales Cerámicos

Se seleccionaron distintas mezclas de materias primas y arcillas que tras ser procesadas (cocidas en un horno a alta temperatura) dieran lugar a materiales cerámico con distintos acabados y propiedades mecánicas: Productos cerámicos porosos blancos, productos cerámicos gresificados rojos y productos cerámicos gresificados blancos (gres porcelánico).

Azulejos

Azulejo, es la denominación tradicional de las baldosas cerámicas con absorción de agua alta, prensadas en seco, esmaltadas y fabricadas con procesos de bicocción y monococción.

Sus características los hacen particularmente adecuados para el revestimiento de paredes interiores, locales residenciales o comerciales. Los azulejos, junto con las baldosas de gres esmaltado, fabricados por monococción, representa el grueso de la producción española de baldosas cerámicas.

El cuerpo o soporte, llamado bizcocho, puede ser de color claro a blanquecino o bien de color rojizo o pardo.Las temperaturas de procesado para una temperatura de monococción se encuentra en torno a los 1100ºC.

Tabla 2 Características de los azulejos

Características del producto

Temperatura de cocción 1080 - 1120°C Absorción de agua 12 – 18 % Densidad aparente 1,75-1,85 g/cm3 Estabilidad dimensional Contracción lineal < 1,5 %

Resistencia mecánica 150 – 250 Kg/cm²

Estabilidad de las fases presentes Expansión por humedad < 0,1% Características superficiales -estéticas Resistencia a los agentes químicos

Gres

Gres esmaltado es la denominación más frecuente de las baldosas cerámicas de absorción de agua baja o media-baja, prensadas en seco, esmaltadas y fabricadas generalmente por monococción, conocidas también como pavimento cerámico. Son adecuadas para suelos interiores en locales residenciales o comerciales.

El soporte es de absorción baja (gres) o de absorción media-baja (gresificado), con tonalidades claras o de color ocre o pardo. El recubrimiento vidriado de la cara vista, de aspecto mate o brillante, puede estar decorado con motivos diversos.

Las temperaturas de procesado para una temperatura de monococción es en torno a los 1120 – 1140 ºC.

Page 9: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

8/42

Tabla 3 Características del gres esmaltado

Características del producto Temperatura de cocción 1120 - 1150°C Absorción de agua 2 -5 % Densidad aparente 2,20 – 2,35 g/cm3 Estabilidad dimensional Contracción lineal 5 -7 % Resistencia mecánica 250 – 350 Kg/cm² Estabilidad de las fases presentes Expansión por humedad Despreciable Características superficiales -estéticas Resistencia a los agentes químicos Alta resistencia mecánica Buen comportamiento a la helada Resistencia a la abrasión Dureza al rayado

Gres porcelánico

Gres porcelánico es el nombre generalizado de las baldosas cerámicas con muy baja absorción de agua, prensadas en seco, generalmente no esmaltadas, y por tanto, sometidas a una única cocción. Se utiliza suelos de interiores en edificaciones residenciales, comerciales, exteriores, para fachadas e incluso para revestimientos de paredes interiores.

Este tipo de producto se puede presentar mate o natural (resultado tras la cocción), pulido (sometiendo la cara vista a un proceso de pulido) o esmaltado. Las temperaturas de procesado para una temperatura de monococción son en torno a los 1180 ºC

Tabla 4 Características del gres porcelánico

Características del producto Temperatura de cocción 1180 - 1230°C Absorción de agua < 0.1 % Densidad aparente 2,37 – 2,45 g/cm3 Estabilidad dimensional Contracción lineal 7-9 % Resistencia mecánica 350 – 450 kg/cm² Estabilidad de las fases presentes Expansión por humedad Despreciable Características superficiales -estéticas Resistencia a los agentes químicos Alta resistencia mecánica Buen comportamiento a la helada Resistencia a la abrasión Dureza al rayado del producto pulido Resistencia a las manchas del producto pulido

Se seleccionaron tres composiciones (mezcla de arcillas para la realización de los ensayos). Se realizó una caracterización mineralógica, térmica y cerámica de cada una de las composiciones.

En la tabla 4 y 5 se muestra la composición química y mineralógica de las distintas mezclas de arcillas para la obtención de productos de porosa blanca, gres rojo y porceláncio.

Page 10: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

9/42

Tabla 5 Análisis químico (% en óxidos) de los materiales utilizados para la extrusión 3D con diferentes acabados

Composición SiO2 Al 2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O TiO2 Ppc 1000ºC

Porosa Blanca 64,1 14,4 0,7 6,7 0,3 0,5 1,9 0,7 9,4

Gres Rojo 64,3 16,4 5,5 1,7 1,4 0,6 3,4 0,8 5,6

Porcelánico 67,7 20,1 0,5 0,5 0,6 4,4 1,6 0,8 3,6

Tabla 6 Análisis mineralógico (% en óxidos) de los materiales utilizados para la extrusión 3D con diferentes acabados

Composición Cuarzo Caolinita Calcita Dolomita Illita/ Mica

Micro-clina Albita Clorita

Porosa Blanca 41 28 12 <1 8 6 4 <1

Gres Rojo 41 20 3 <1 17 8 <1 5

Porcelánico 1 13 <1 <1 18 <1 37 27

4.2. Geopolímeros

La reacción de geopolimerización se produce bajo condiciones altamente alcalinas entre un polvo de aluminosilocato y una solución activadora (basada en una mezcla molar de hidróxido sódico) a condiciones ambientales,

Para la realización de los ensayos con geopolímeros (aluminosilicatos inorgánicos) se prepararon mezclas de dos componentes:

- metacaolín como material de partida para la síntesis de geopolímeros, siendo este generado por la activación térmica de caolinita,

- NaOH 10 Molar

La composición química del metacaolín se muestra a en la Tabla 6, En cuanto a la composición mineralógica, la muestra era amorfa,

Tabla 7 Análisis químico (% en óxidos) del metacaolín utilizado para la extrusión 3D de geopolímeros,

Composición SiO2 Al 2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O TiO2 Ppc 1000ºC

Metacaolín 53,2 40,8 0,6 0,9 0,1 0,8 1,9 1,2 0,4

4.3. Composite

Para los composites se utilizaron materiales mezcla orgánico inorgánicos que ya existen en el mercado y son capaces de endurecer sin la utilización de calor (no son necesarias cocer), Aparecen en el mercado como “modelling clay”, En la Figura 2 se muestra la imagen del material utilizado,

Este material está compuesto por una parte orgánica y una parte inorgánica, La parte inorgánica está compuesta por yeso,

Page 11: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

10/42

Figura 4 Material composite mezcla de material orgánico e inorgánico utilizado para modelar de secado al aire.

5. Tarea 4 Adaptación del material a la impresión 3 D

Tal y como se ha comentado anteriormente, los materiales seleccionado iban a ser utilizados para la impresión 3D mediante el método de extrusión, En la Figura 2 se muestra el esquema de impresión, Para la realización del proyecto, hay dos fases diferenciadas y al mismo tiempo interrelacionadas entre sí, Por una parte una que se correspondería con los materiales y su adecuación a la impresión 3d, y por otra parte la correspondiente a los materiales a imprimir y la forma de adecuarlos para su impresión y otra parte correspondiente a la parte de diseño de prototipos y de su adecuación para ser entendidos por el controlador de la impresora en forma de comandos para poder ser ejecutados y dar como resultado final una pieza en 3D,

Figura 5 Esquema del desarrollo del proyecto.

Page 12: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

11/42

5.1. Prototipo para la impresión 3D de materiales ( cerámicos y composites) mediante la técnica de extrusión

Se ha diseñado y optimizado una impresora 3D diseñada para la impresión de suspensiones de materiales mediante la técnica de la extrusión.

Figura 6 Esquema del prototipo de impresión 3D diseñado para la extrusión en el marco del proyecto.

Figura 7 Fotografía del prototipo de impresión 3D diseñado para la extrusión en el marco del proyecto0

Controlador presión

Controlador impresora 3D

Diseño

Aire a presión

Impresora 3D

Extrusor cartucho

Boquilla

45453325656

Page 13: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

12/42

El dispositivo extrusor (Figura 8) constaba de una carcasa, un embolo donde se colocaba la barbotina y una boquilla. La boquilla que es intercambiable y de diferentes diámetros, será la que definirá la precisión del diseño. La barbotina que se utilice tendrá que acondicionarse para que pueda pasar de forma correcta a la presión requerida a través de la boquilla. El proceso de extrusión se iniciaba de forma manual mediante una palanca.

Figura 8 Boquilla extrusora. Detalle.

Los diámetros de las boquillas variaron entre 0,9 y 2,4 mm. En la Figura 9 se muestran las distintas boquillas utilizadas en el proyecto.

Figura 9 Boquillas utilizadas en la extrusión de barbotinas para la impresión 3D,

Aire a presión

Carcasa

Cartucho con barbotina

Extrusor

Page 14: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

13/42

Para la realización de la impresión 3D se utilizaron dos programas informáticos libres, Para la adecuación de la figura diseñada por un programa de diseño gráfico (ej, Autocad o Solidworks) para ser impresa, ha de dividirse en capas y el diseño de estas capas que estará influenciado con la precisión que se quiera obtener (diámetro de la boquilla) se utilizó el programa CURA PRINTING 3D SLICING SOFTWARE y para el control de la máquina aunque se puede hacer directamente a través del Arduino, se prefirió realizar el control mediante ordenador con el programa REPETIER-HOST,

En las Figuras 10 y 11, se muestran las imágenes de ambos programas durante su proceso de utilización:

Figura 10 Imágenes de la forma del procesado de los diseños con el programa CURA

Figura 11 Imágenes de la forma del procesado de los diseños con el programa controlador REPETIER,

Page 15: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

14/42

5.2. Adaptación de los distintos materiales a la im presión 3D

5.2.1. Materiales cerámicos

Son diversas las variables a tener en cuenta a la hora de acondicionar los distintos materiales para la impresión 3D. Los materiales seleccionados para la impresión cerámica, tal y como se ha visto en el apartado 2,1,1 son materiales compuestos principalmente por minerales arcillosos, feldespatos y cuarzo. Estos materiales se molturan hasta obtener una distribución fina y son mezclados con agua.

Para realizar la adecuación de los materiales se han de tener en cuenta variables tales como el material y el tamaño de la boquilla lo cual determinará el contenido en sólidos de la barbotina, si hace falta la adición de aditivos y la presión a aplicar. Todos estos parámetros además influirán en la velocidad a la cual se imprimirán los distintos modelos para obtener un buen acabado superficial.

Las variables a tener en cuenta son tanto intrínsecas a los materiales como de procesado. En la Figura 12 se muestra un esquema de todos los parámetros a tener en cuenta.

Figura 12 Variables a tener en cuenta a la hora tanto de los materiales como del procesado.

Dado que los atomizados para las distintas tipologías se materiales cerámicos son similares, se realizaron los ensayos con el atomizado blanco de porosa con distintas humedades, boquillas y preseiones.

El volumen dentro del extrusor fue de 20 ml y 50 ml de barbotina.

Page 16: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

15/42

Tabla 8 Primeras pruebas con distintas humedades, extrusores y velocidad de impresión. CUBO

Referencia Humedad (% agua)

Extrusor (mm Ø)

Velocidad (mm/s)

Imagen

1 (a) 31,7 1,05

(ref 19) 35

2 (a) 31,7 1,05

(ref 19) 35

3 (a) 31,7 1,05

(ref 19) 70

4 (a) 31,7 1,05

(ref 19) 70

1 (b) 32,5 1,3

(ref 18) 35

2 (b) 32,5 1,3

(ref 18) 35

3 (b) 32,5 1,3

(ref 18) 70

4 (b) 32,5 1,3

(ref 18) 70

Page 17: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

16/42

Cont Tabla 9 Primeras pruebas con distintas humedades, extrusores y velocidad de impresión, CUBO

Referencia Humedad (% agua)

Extrusor (mm Ø)

Velocidad (mm/s)

Imagen

5 32,5 1,05

(ref 19) 35

6 32,5 1,05

(ref 19) 35

7 32,5 1,05

(ref 19) 70

8 32,5 1,05

(ref 19) 70

En general las figuras algo más grandes tienen una mejor resolución que las piezas más pequeñas, es lo que ocurre con la pieza 8, La extrusión con 1 mm de diámetro y contenidos en agua de la barbotina en torno al 32% parecen ser adecuadas, no obstante la aparición de grietas, es indicativo o que hay que trabajar con un menor contenido en agua o que el secado se ha de realizar de forma más controlada,

Se optó en un principio por controlar el proceso de secado para lo cual se dejaron las piezas tapadas con plástico durante un día, otro día a 45ºC y posteriormente otras 24 horas mínimo a 110ºC.

Estas piezas se cocieron en un horno de laboratorio hasta la temperatura máxima de 1125ºC.

Se realizaron numerosas pruebas de extrusión, para lo cual se prepararon barbotinas cerámicas y se extrudieron numerosas piezas, En las figuras 15 a 32 se muestran algunos ejemplos de piezas impresas. A continuación en la Tabla 11 se muestran algunos de los problemas que surgieron durante la impresión de piezas y la solución para solventar el problema:

Page 18: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

17/42

Tabla 9 Algunos de los problemas encontrados durante la ejecución del proyecto y la solución encontrada

Problemas encontrados Soluciones

Piezas con baja consistencia y defectos de deformación durante su impresión. Aumento del contenido en sólidos

Problemas de extrusión al aplicar la presión a lo largo de un mismo cartucho

Buena homogeneización de la muestra y uso de aditivos cohesionantes orgánicos.

Distinta viscosidad dependiendo del producto con un mimo contenido en sólidos

Uso de desfloculantes inorgánicos

Baja precisión con boquillas muy estrechas Disminución de la velocidad de impresión.

5.2.1.1. Geopolímeros,

Se eligió como materia prima un metacaolín o caolín calcinado de la marca comercial IMERYS, La solución alcalina estaba compuesta por la siguiente relación en peso: 85% NaOH 10M y 15% Na2SiO3, Para preparar la disolución de hidróxido sódico se usó como reactivo NaOH en lentejas, de la marca PANREAC, El silicato sódico soluble utilizado fue de la marca MERCK, cuya fórmula es 3SiO2•Na2O (M = 242,3 g/mol), con la siguiente composición en peso: 25,5-28,5% SiO2, 7,5-8,5% Na2O y una densidad de 1,296-1,396 g/cm3 a 20 ºC,

Los geopolímeros que están basados en aluminosilicatos son llamados polisialatos, Este término es una abreviación de poli-(silico-oxo-aluminato) o (-Si-O-Al-O-)n, siendo n el grado de polimerización, La red sialato consiste en tetraedros de SiO4 y AlO4 unidos por átomos compartidos de oxígeno, Dentro de las cavidades de la red, deben estar presentes iones positivos (Na+, K+, Li+, Ca++, Ba++, NH4+, H3O+) para contrarrestar las cargas negativas del Al3+ para que el aluminio pueda estar unido a tres oxígenos, como el silicio, La fórmula empírica de los polisialatos es la siguiente:

M·n(-(SiO2)z-AlO2)n·wH2O

Figura 13 Red sialato

Figura 14 Mecanismo de polimerización propuesto por algunos autores,

Page 19: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

18/42

Se realizaron distintas pruebas, pero con las mezclas originales no era posible imprimir, ya que no poseía la consistencia deseada, Se realizaron prueba con un mayor contenido en sólidos hasta el contenido límite para poder obtener piezas con una elevada dureza pero sin la necesidad de cocer,

Aún así, durante el proceso de impresión no se obtenían las piezas con la consistencia deseada por lo que al imprimir no se era capaz de obtener piezas en 3D con las dimensiones deseadas, En la Figuras 39 y 40 se muestran los resultados obtenidos,

Otra limitación de este tipo de materiales era que al ser tan causticos, no todas las boquillas son adecuadas y han de ser de acero resistente a un elevado pH, Así mismo los diseños han de realizarse muy rápido, ya que pueden llegar a endurecer durante el proceso de impresión,

5.2.1.2. Composites

Para el tipo de producto elegido no se obtuvieron buenos resultados,

La mezcla no era capaz de fluir tras aplicar la presión correspondiente, Se intentaron realizar diversas acciones que disminuyera la viscosidad de la mezcla para poderla extrudir:

- Dispersión con agua

- Dispersión con compuestos orgánicos

En ninguno de los dos casos se obtuvieron resultados positivos ya que cuando se mezclaba con agua no se obtenían mezclas homogéneas y en el segundo caso ninguno de los disolventes comunes utilizados proporcionó resultados positivos.

En este caso no se pudo continuar a la fase de prueba de impresión.

Tras la adecuación del material para poder ser utilizado en la impresión 3D se llevará a cabo el modelado y la impresión de los prototipos. A partir de los prototipos generados se realizará el estudio y la caracterización de los distintos prototipos, analizando las propiedades que le confiere al prototipo la utilización un determinado material para su elaboración.

6. Tarea 5. Estudio y caracterización de prototipos

Tras la adecuación del material para poder ser utilizado en la impresión 3D se llevó a cabo el modelado y la impresión de los prototipos. A partir de los prototipos generados se realizó el estudio del acabado final y la caracterización de los distintos prototipos, analizando las propiedades que le confiere al prototipo la utilización un determinado material para su elaboración.

Page 20: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

19/42

6.1. Materiales cerámicos

PIEZAS DE ATOMIZADO BLANCO

Imitación de piezas de uso arquitectónico, Ennis Brown House (Frank Lloyd Wright)

Figura 15 Imágenes del proceso de impresión 3D para la reproducción de piezas reales. Fotografía de las piezas reales, diseño de impresión, prototipo en plástico e impresión en cerámica, en crudo y tras la cocción.

Page 21: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

20/42

Figura 16 Imágenes del proceso de impresión 3D para la reproducción de piezas reales, Fotografía de las piezas reales, impresión en cerámica, en crudo y tras la cocción, Piezas singulares del hotel Biltmore,

Figura 17 Imágenes de las piezas realizadas con impresión 3D con relieves elevados, Estas piezas no pueden realizarse por otro proceso, ni por prensado ni por moldeo.

Page 22: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

21/42

Figura 18 Ejemplo de imitación de la estructura interna de un hueso mediante extrusión.

Page 23: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

22/42

Figura 19 Diferentes imágenes de la impresión de distintos diseños cerámicos planos y en volumen.

Page 24: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

23/42

FILTROS CERÁMICOS

Figura 20 Diferentes imágenes de filtros cerámicos. Estos materiales son de utilidad tanto en catalizadores como en dispositivos de depuración de aguas.

Page 25: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

24/42

TELAS CERÁMICAS

Figura 21 Imágenes de la impresión de telas cerámicas, es decir con entramado de malla con muy bajo espesor.

Page 26: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

25/42

CERÁMICA ARTÍSTICA

Figura 22 Diseño de pieza con acabado superficial especial.

Page 27: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

26/42

Figura 23 Diferentes diseños de piezas cerámicas esmaltadas y sin esmalta con atomizado de porosa blanco.

Page 28: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

27/42

GRES PORCELÁNICO

Figura 24 Figuras de gres porcelánico con elevada dureza para estar en contacto con agentes ambientales agresivos. Filtros y hélices.

Page 29: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

28/42

GRES ROJO

Figura 25 Diferentes diseños de piezas decorativas. Lámpara.

Page 30: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

29/42

Figura 26 Diferentes diseños de piezas decorativas.

Page 31: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

30/42

Figura 27 Pieza con acabado superficial especial. Torsión.

Page 32: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

31/42

Figura 28 Distintos diseños de entramados cerámicos desde distancias de centímetros a un milímetro.

Page 33: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

32/42

Figura 29 Diseño de filtros cerámicos utilizados en la depuración de aguas.

Page 34: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

33/42

Figura 30 Diseño de celosías y microcelosías

Page 35: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

34/42

Y se preparó además un diseño de ordenador especial, mediante el cual, realizando repeticiones se pueden realizar celosías completas y complejas,

Figura 31 Diseño de piezas unitarias que unidas son capaces de formar una celosía.

Page 36: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

35/42

Figura 32 Impresión en 3D en porosa blanca del diseño realizado.

Page 37: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

36/42

6.2. Geopolímeros

Figura 33 Diferentes intentos de impresión 3D de diferentes diseños de cubos.

Page 38: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

37/42

Figura 34 Diferentes intentos de impresión 3D de diferentes diseños de cubos.

Page 39: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

38/42

7. Tarea 6. Difusión

Se han realizado diversas tareas de difusión del proyecto:

7.1. - Notas de prensa en la Web del ITC

Se puede ver en el enlace:

http://webitc.itc.uji.es/notDestacada/Paginas/ElITCestudialaviabilidaddelaimpresi%C3%B3n3Dendistintostiposdematerialesinorg%C3%A1nicos,cer%C3%A1micosycomposites.aspx

Figura 35 Imagen de la difusión realizada a través de la WEB.

Page 40: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

39/42

7.2. - Presentación de resultados INFODAY

Figura 36 Imágenes del programa y la Jornada Info-day

Page 41: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

40/42

7.3. Presentaciones en congresos QUALICER 2016

Figura 37 Imagen del póster que será presentado en Qualicer 2016

Page 42: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

41/42

4.- Presentación de resultados en CEVISAMA 2016

Figura 38 Imagen del póster que será presentado en Cevisama 2016

Page 43: Viabilidad de la Impresión 3D en nuevos materiales inorgánicos ...

42/42

El presente informe nº expedido a petición de la firma AICE - INSTITUTO DE TECNOLOGÍA CERÁMICA - ASOCIACIÓN DE INVESTIGACIÓN DE LAS INDUSTRIAS CERÁMICAS, consta de una portada y 42 páginas.

Castellón, 29 de Enero de 2016

Dra. Mª Pilar Gómez Tena Responsable del Laboratorio de Caracterización Físico-estructural