Nuevos enfoques en la Fabricación por Filamento Fundido

La creciente demanda de productos hechos a medida, con disminución de costes asociada e impulsada por las necesidades de los sectores industriales, ha promovido el desarrollo y perfeccionamiento de diferentes técnicas de procesamiento de materiales, originando un panorama de fabricación en permanente cambio, donde la fabricación aditiva (AM) ofrece muchas posibilidades. Uno de los métodos de AM más extendido es la Fabricación por Filamento Fundido (FFF), dada su simplicidad tecnológica y por poseer el potencial de dar respuesta a muchos de los retos y necesidades que revela el mercado actual.

Sin embargo, la naturaleza de la construcción capa a capa de los objetos fabricados por FFF, que permite una flexibilidad geométrica tan elevada, es al mismo tiempo una barrera importante para la producción de componentes finales para ciertos sectores industriales. A todo esto se suma el hecho que la diversidad de materiales y equipos de impresión, desarrollados en los últimos años para ampliar las capacidades de la FFF, exige la adaptación de los métodos de post-procesamiento existentes, así como la creación de otros nuevos capaces de aportar soluciones efectivas a las necesidades del mercado.

Es en este contexto donde la Dra. Adriana Chueca ha realizado su tesis doctoral en el Departamento de Ingeniería Industrial de IQS School of Engineering, bajo el título ‘Novel approaches for the chemical, mechanical, and thermal post-processing of polymeric components obtained by fused filament fabrication’. La tesis ha sido codirigida por el Dr. Marco Antonio Pérez y el Dr. Giovanni Gómez.

El objetivo principal de la tesis ha sido superar las limitaciones principales de la tecnología FFF con termoplásticos de alto rendimiento, como son: la utilización de materiales de soporte que se deben eliminar manualmente, la baja calidad superficial y la débil adhesión entre capas que condiciona las propiedades mecánicas de los componentes fabricados. Todas estas cuestiones han sido abordadas mediante el post-procesado químico, mecánico y térmico de muestras de Ultem™ 9058 (una polietirimida de altas prestaciones), a partir de rigurosos diseños de experiencias, que incluyen una matriz ortogonal de Taguchi y una metodología de superficie de respuesta, todo ello acompañado de las campañas experimentales suficientes para validar las propuestas abordadas.

Soluciones a los retos de la tecnología FFF

En respuesta a la demanda de soluciones para afrontar los retos de la tecnología FFF, las principales aportaciones de la investigación de la Dra. Chueca se pueden resumir como:

• La validación de un tratamiento químico capaz de disolver la polisulfona, material de soporte del Ultem™ 9085, con un mínimo impacto en las prestaciones mecánicas del material modelo. De este modo, se ha conseguido una alternativa viable a la eliminación manual de este material de soporte, un método ineficiente que suponía en muchos casos estropear las piezas fabricadas.
• Un post-procesado mecánico basado en el bruñido con bola, que ha conseguido producir una reducción significativa de la rugosidad de superficie y una duplicación de la vida a fatiga por flexión de las piezas tratadas. Este sistema ha sido validado en polímeros por primera vez en esta tesis.
• Finalmente, un recocido térmico combinado con presión isostática, capaz de mejorar la cohesión entre capas y densificar los componentes tratados, a la vez que mejora su acabado superficial y reduce las diferencias en las propiedades mecánicas de piezas fabricadas utilizando diferentes orientaciones de impresión.

Cada uno de los hitos conseguidos se ha acompañado de recomendaciones prácticas para poder aplicar las metodologías propuestas en el caso de otros materiales.

La investigación de la Dra. Chueca, así como las publicaciones derivadas de la misma, contribuyen a promover la implementación definitiva de las tecnologías de fabricación aditiva en el mercado de productos finales.

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Esta tesis ha recibido financiación dentro del programa de ayudas IQS para la contratación de personal investigador predoctoral, y ha formado parte del proyecto Nuevos desarrollos en estructura ligera tipo sándwich con núcleos impresos en 3D, RT2018-099754-A-100, dentro del programa estatal de I+D+i orientado a los retos de la Sociedad del Plan Estatal de Investigación científica, técnica y de innovación 2017-2020.