Estudio de la resistencia a la tracción y a la flexión de materiales compuestos de matriz polimérica fabricados mediante impresión 3D

Abstract

La tecnología de manufactura aditiva, AM (additive manufacturing) se está usando con gran éxito en las diversas aplicaciones del modelado por deposición fundida, FDM (fused deposition modeling). Esta es la tecnología más usada en la fabricación 3D principalmente en el área de ingeniería mecánica que la incorpora a sus procesos de producción de prototipos rápidos para pruebas funcionales de bajo costo, componentes complejos, piezas, accesorios, fabricados a partir de modelos digitales. Debido a la necesidad de mejorar las propiedades mecánicas de la materia prima usado para la fabricación de componentes, existe la exigencia de buscar nuevos materiales que puedan ser usados con la tecnología de impresión 3D. Uno de los posibles métodos es la adición de refuerzos de nanotubos de carbono y fibras de carbono a materiales poliméricos como el ABS (acrilonitrilo butadieno styrene). Así, formar materiales compuestos de matriz polimérica que podrían ser utilizados directamente en aplicaciones reales como en la industria aeronáutica y automotriz. El presente trabajo tiene como objetivo la fabricación y caracterización de materiales compuestos de matriz polimérica usando impresión 3D para luego evaluar y comparar sus propiedades mecánicas. Para la fabricación se utilizó la tecnología de impresión FDM y los siguientes materiales: ABS puro, compuestos de ABS más nanotubos de carbono y ABS más fibra de carbono. La metodología seguida para el desarrollo del trabajo primero fue el diseño de las muestras, para ello se utilizó la norma ASTM D638 para las probetas de tracción y ASTM D790 para las probetas de flexión; luego se determinó los parámetros de fabricación variando alturas de capas de deposición a 0,4 mm y 0,2 mm; y cinco diferentes tipos de mallado interno variando las orientaciones de deposición de capas a 90°, 0°, 45°, 0°/90° y 45°/-45°. Luego se procedió a la determinación de las propiedades mecánicas mediante ensayos de tracción y flexión. Finalmente, se realizó una caracterización estructural a la superficie de fractura mediante microscopía electrónica de barrido, SEM (scanning electron microscope). Como resultado final de los ensayos de tracción y flexión se tiene que en general los especímenes fabricados con ABS tienen mayor resistencia que los compuestos de ABS más nanotubos de carbono y ABS más fibra de carbono. Siendo los especímenes fabricados con 0,2 mm de altura de capa más resistentes que los de 0,4 mm. Además, los especímenes fabricados con 0,2 mm de altura de capa tienen resistencia igual a la del filamento base utilizado para la fabricación. Este caso se cumple solo en el ABS y ABS más nanotubos de carbono. En el compuesto ABS más fibra de carbono se refleja una notable disminución de la resistencia. Aunque los resultados del módulo de elasticidad tienen una elevada variabilidad, en todos los casos los materiales compuestos tienen una mayor rigidez respeto al ABS; sin embargo, la rigidez del compuesto ABS más fibra de carbono disminuye a la mitad respecto a su filamento base. Finalmente, los resultados del SEM indican que en el compuesto ABS más fibra de carbono, estas micro partículas no se adhieren de manera correcta a la matriz polimérica creando cavidades entre matriz y aditivo, debilitando la acción del refuerzo al momento de la transferencia de esfuerzos. Resultado que se reflejó durante de los ensayos mecánicos