Nous enfocaments en la Fabricació per Filament Fos

La creixent demanda de productes fets a mida, amb disminució de costos associada i impulsada per les necessitats dels sectors industrials, ha promogut el desenvolupament i perfeccionament de diferents tècniques de processament de materials, originant un panorama de fabricació en permanent canvi on la fabricació additiva (AM) ofereix moltes possibilitats. Un dels mètodes d’AM més estesos és la Fabricació per Filament Fos (FFF), donada la seva simplicitat tecnològica i per posseir el potencial de donar resposta a molts dels reptes i necessitats que revela el mercat actual.

No obstant això, la naturalesa de la construcció capa a capa dels objectes fabricats per FFF, que permet una flexibilitat geomètrica tan elevada, és al mateix temps una barrera important per a la producció de components finals per a certs sectors industrials. A tot això s’afegeix el fet que la diversitat de materials i equips d’impressió, desenvolupats en els últims anys per a ampliar les capacitats de la FFF, exigeix l’adaptació dels mètodes de postprocessament existents i la creació d’altres de nous capaços d’aportar solucions efectives a les necessitats del mercat.

És en aquest context on la Dra. Ariadna Chueca ha realitzat la seva tesi doctoral al Departament d’Enginyeria Industrial d’IQS School of Engineering, sota el títol ‘Novel approaches for the chemical, mechanical, and thermal post-processing of polymeric components obtained by fused filament fabrication’. La tesi ha estat codirigida pel Dr. Marco Antonio Pérez i el Dr. Giovanni Gómez.

L’objectiu principal de la tesi ha estat superar les limitacions principals de la tecnologia de FFF amb termoplàstics d’alt rendiment, com són: l’ús de materials de suport que cal eliminar manualment, la baixa qualitat superficial i l’adhesió feble entre capes que condiciona les propietats mecàniques dels components fabricats. Totes aquestes qüestions han estat abordades mitjançant el postprocessat químic, mecànic i tèrmic de mostres d’Ultem™ 9085 (una politerimida d’altes prestacions), a partir de rigorosos dissenys d’experiències, que inclouen una matriu ortogonal de Taguchi i una metodologia de superfície de resposta, tot acompanyat de les campanyes experimentals suficients per a validar les propostes abordades.

Solucions als reptes de la tecnologia FFF

En resposta a la demanda de solucions per afrontar els reptes de la tecnologia FFF, les principals aportacions de la recerca de la Dra. Chueca es poden resumir com:

• La validació d’un tractament químic capaç de dissoldre la polisulfona, material de suport de l’Ultem™ 9085, amb un impacte mínim en les prestacions mecàniques del material model. D’aquesta manera, s’ha aconseguit donar una alternativa viable a l’eliminació manual d’aquest material de suport, un mètode ineficient i que suposava en molts casos malmetre les peces fabricades.
• Un postprocessat mecànic basat en el brunyit amb bola, que ha obtingut produir una reducció significativa de la rugositat de la superfície i una duplicació de la vida a fatiga per flexió de les peces tractades. Aquest sistema ha estat validat en polímers per primera vegada en aquesta tesi.
• Finalment, una recuita tèrmica combinada amb pressió isostàtica capaç de millorar la cohesió entre capes i densificar els components tractats, al mateix temps que en millora el seu acabat superficial i redueix les diferències en les propietats mecàniques de peces fabricades utilitzant diferents orientacions d’impressió.

Cada una de les fites obtingudes ha estat acompanyada de recomanacions pràctiques per tal de poder aplicar les metodologies proposades al cas d’altres materials.

La tesi de la Dra. Chueca i les publicacions derivades de la mateixa contribueixen a promoure la implementació definitiva de les tecnologies de fabricació additiva en el mercat de productes finals.

Publicacions relacionades

Ariadna Chueca de Bruijn, Giovanni Gómez Gras, Marco A. Pérez; Mechanical study on the impact of an effective solvent support-removal methodology for FDM Ultem 9085 parts
Polymer Testing, 85, May 2020, 106433

Ariadna Chueca de Bruijn, Giovanni Gómez Gras, Marco A. Pérez; On the effect upon the surface finish and mechanical performance of ball burnishing process on fused filament fabricated parts , Additive Manufacturing, 46, October 2021, 102133

Ariadna Chueca de Bruijn, Giovanni Gómez Gras, Marco A. Pérez; A comparative analysis of chemical, thermal and mechanical post-process of fused filament fabricated polyetherimide parts of surface quality enhancement; Materials 2021, 14(19), 5880

Ariadna Chueca de Bruijn, Giovanni Gómez Gras, Marco A. Pérez; Selective dissolution of polysulfone support material of fused filament fabricated Ultem 9085 parts, Polymer Testing, 108, April 2022, 107495

Ariadna Chueca de Bruijn, Giovanni Gómez Gras, Marco A. Pérez; Thermal annealing as a post-process for additively manufactured Ultem 9085 parts, Procedia Computer Science, 200, 2022, Pages 1308-1317

Ariadna Chueca de Bruijn, Giovanni Gómez-Gras, Laura Fernández-Ruano, Laia Farràs-Tasias, Marco A. Pérez; Optimization of a combined thermal annealing and isostatic pressing process for mechanical and surface enhancement of Ultem FDM parts using Doehlert experimental designs, Journal of Manufacturing Processes, 85, January 2023, Pages 1096-1115

Aquesta tesi ha rebut finançament dins del programa d’ajuts IQS per a la contractació de personal investigador predoctoral, i ha format part del projecte Nous desenvolupaments en estructura lleugera tipus sandvitx amb nuclis impresos en 3D, RT2018-099754-A-100, dins del programa estatal d’I+D+i orientat als reptes de la Societat del Pla Estatal d’Investigacion científica, tècnica y de innovación 2017-2020