Connecting 3d printing parameters and mechanical properties of fdm polymers: experiments and modelling
- Autores: Sara Garzón Hernández
- Directores de la Tesis: Daniel García Gonzalez (dir. tes.), Ángel Arias Hernández (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Carlos III de Madrid ( España ) en 2019
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Ramón Zaera Polo (presid.), David Ángel Cendón Franco (secret.), Alexis Rusinek (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Mecánica y de Organización Industrial por la Universidad Carlos III de Madrid
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: e-Archivo
- Resumen
Los polímeros tradicionales presentan un comportamiento mecánico no lineal y dependiente de la temperatura y velocidad de deformación. A este complejo comportamiento, hay que añadirle una dependencia extra con los parámetros de impresión cuando se trata con piezas fabricadas por impresión 3D. Todas estas dependencias hacen que la caracterización mecánica y el modelado de polímeros impresos por 3D sean complejos. Entre todas las tecnologías de impresión 3D, el modelado por deposición fundida (FDM) es la más común para trabajar con polímeros termoplásticos. Toda pieza fabricada por FDM presenta cierta porosidad y una respuesta mecánica anisótropa debidas al propio proceso de fabricación. Sin embargo, lejos de ver esto como una desventaja, FDM puede permitir fabricar piezas con propiedades mecánicas a medida mediante el control de los parámetros del proceso de impresión.
Esta tesis doctoral profundiza en el estudio de la relación entre los parámetros de impresión y las propiedades mecánicas de piezas poliméricas fabricadas por FDM. Para ello, es necesario estudiar y comprender la mecánica y termodinámica del proceso de impresión para avanzar en el conocimiento de la relación última entre parámetros de impresión y propiedades mecánicas. El objetivo final de esta tesis ha sido desarrollar herramientas de análisis y un modelo constitutivo para predecir la respuesta mecánica de termoplásticos fabricados por impresión 3D. Para alcanzar este objetivo, esta tesis se ha dividido en tres bloques principales:
El primer bloque proporciona una caracterización experimental de la mesoestructura y del comportamiento mecánico de probetas fabricadas por FDM. Se ha estudiado la influencia del espesor de capa, la orientación de impresión y el número de capas. Además, a partir de observaciones experimentales, se han desarrollado expresiones analíticas para la predicción de la densidad de vacíos y las propiedades mecánicas.
En el segundo bloque se han desarrollado modelos térmicos y de sinterización que permiten analizar la mecánica y termodinámica del proceso de impresión. Estos modelos han permitido estudiar el proceso de unión entre filamentos que tiene lugar durante la fabricación y la influencia de los parámetros de impresión sobre la mesoestructura de piezas fabricadas por FDM. La combinación de estos modelos con las expresiones analíticas propuestas en el bloque previo, han permitido crear una metodología para predecir las propiedades mecánicas en función de los parámetros de impresión. Esta metodología proporciona los fundamentos sobre las características de los termoplásticos fabricados por FDM que motiva futuros modelos para la optimización de las propiedades mecánicas en función de los requisitos de servicio.
Finalmente, basado en observaciones experimentales, el tercer bloque presenta un modelo anisótropo visco-hiperelástico del continuo para polímeros fabricados por FDM. Este modelo incluye la dependencia de la respuesta mecánica con los parámetros de impresión analizados.
La metodología propuesta en esta tesis se ha aplicado a un caso específico, incluyendo experimentación y simulaciones computacionales sobre el Acrilonitrilo Butadieno Estireno (ABS). Este termoplástico ha sido elegido, sin pérdida de generalidad, por ser uno de los materiales más empleados en FDM.
