Analysis of the physicochemical properties of polymeric materials for re-use in 3D printing
* Ing. Víctor Adán Cepeda Tovar
Dra. Anilú Rubio Ríos
Dra. Lorena Farías Cepeda
Dra. Aidé Sáenz Galindo
*Autor de correspondencia: v_cepeda_tovar@uadec.edu.mx; lorenafarias@uadec.edu.mx.
Universidad Autónoma de Coahuila.
Facultad de Ciencias Químicas.
Boulevard Venustiano Carranza. S/N. C.P. 25000, Colonia Republica;
Saltillo, Coahuila.
Artículo PDF
CienciaCierta #55 Julio – Sepiembre 2018
Resumen
Palabras claves: Polímero, Impresión 3D, Re-uso, Orgánico, Modelación.
Abstract
The large amount of polymeric materials that are produced today and put the environment at risk. An alternative for the reduction of these wastes is the “re-use” of all those materials composed of macromolecules capable of creating 3D objects, which represent not only a benefit to the care of the environment, but also to the production of new products. Physicochemical properties that influence the behavior of some of the polymeric materials used in the melt deposition modeling technique (FDM) have been analyzed. The used materials are acrylonitrile butadiene styrene (ABS), high impact polystyrene (HIPS), and polylactic acid (PLA), finding that the mechanical and thermal properties are the most affecting in the choice of polymer, since the identification the glass transition or melting temperatures in a polymeric material is elementary to determine the processing thereof.
Keywords: Polymer, 3D Printing, Re-use, Organic, Modeling.
Introducción
Antecedentes
La fabricación aditiva, manufactura aditiva, modelación digital, o simplemente impresión 3D, apareció por primera vez en los años 80, iniciando su desarrollo con las primeras máquinas para estereolitografía (SLA) y el sinterizado selectivo por láser (SLS). En la década de los 90, se desarrollaron otros procesos aditivos innovadores que respondieron positivamente a los desafíos en ese tiempo, lo que tuvo un impacto significativo en los logros comerciales y académicos (Bourel et al., 2014).
Sobre un depósito de llenado, sigue una banda donde se encuentra el filamento con el producto y se crea un caparazón con una forma definida con un ángulo de 45°, que se forma por las capas alternas. Los materiales de diseño y fabricación más comercializados para modelado por FDM son: acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), ácido poliláctico (PLA) y poliestireno de alto impacto (HIPS). Para predecir el comportamiento mecánico y/o las propiedades físico-químicas de las piezas de FDM, es muy importante comprender dos cosas importantes: las propiedades del material de proceso en el FDM sin procesar (material virgen), y cómo los parámetros de construcción o diseño en la modelación influyen sobre las propiedades del producto final (Ahn et al., 2002). La manufactura aditiva podría minimizar los costos de producción y mejorar la eficiencia general en el sector manufacturero (Ford, 2014). La impresión 3D de polímeros ha hecho importantes desarrollos que llevan a un método rentable y eficiente para producir prototipos de estructuras con geometrías complejas (Singh, 2011; Bikas et al., 2016). Es una tecnología que está en su pleno apogeo; está desarrollándose rápidamente debido a la gran demanda de productos creados a partir de un modelo ya existente, empleando tecnologías completas y entendibles, creado por objetos capa por capa (Liravi et al., 2017). En aplicaciones de ingeniería, estos prototipos se utilizan para verificar modelos que exhiben un comportamiento particular. Para describir con precisión los prototipos producidos por la impresión 3D, las propiedades del material deben identificarse con precisión y exactitud. En la actualidad, se ha analizado el modelado y la mejora del proceso de impresión (Liravi et al., 2017), así como los efectos de los diferentes parámetros de impresión en las propiedades de los productos impresos (Francois et al., 2017). En la Figura 2 se describe como el flujo de fabricación se va produciendo desde el modelo CAD hasta el acabado final.
Las normas ASTM han sido ampliamente establecidas y adoptadas por grupos de investigación en la realización de sus pruebas mecánicas, como, por ejemplo, la ASTM D638 se encarga de medir las pruebas de tracción las cuales han sido seguidas por casi todos los grupos (Melenka et al, 2016).
Materiales poliméricos empleados en la impresión 3D
Existe una gran diversidad de materiales usados en la fabricación aditiva por deposición en fundido, a continuación, se describen algunos de los polímeros más utilizados para este fin: el acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), el ácido poli láctico (PLA) y el poliestireno de alto impacto (HIPS).
El acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) se usa comúnmente en impresión 3D, ya que es un material termoplástico de uso sencillo y de fácil reciclo. Está formado por los monómeros acrilonitrilo, butadieno y estireno, ver Figura 3, entre sus propiedades se encuentra la resistencia química y al impacto (dureza), característica atribuida al uso de butadieno, rigidez y facilidad de reprocesamiento proporcionada por el estireno (https://en.wikipedia.org/wiki/ Acrylonitrile_butadiene_styrene) y puede utilizarse en un amplio rango de temperaturas (Ryan et al., 2017). El ABS se ha convertido en un material base en la impresión 3D debido además a otras ventajas, como la resistencia al calor y a bajas temperaturas, posee una superficie brillante y fácil coloración (https://3dprinting.com/materials).
El monómero del cual se produce el PLA es el ácido láctico o por su nomenclatura trivial ácido hidroxipropiónico. El PLA es parte de los polímeros que son considerados biodegradables y es uno de los de mayor potencial para sustituir a los plásticos convencionales (Wong, 2017). El PLA es un material versátil, descubierto por Scheele en 1780 (Menéndez, 1999; Ryan et al., 2017), posee propiedades comparables con las de los plásticos comunes, como, por ejemplo, se puede utilizar para envolturas de alimentos o productos sellados a vacío (http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.com/2013/02/impresion-3d.html). Este es un factor muy importante pues permite sustituir por PLA a polímeros elaborados en la industria de la petroquímica, sin necesidad de rediseñar productos o ejecutar grandes inversiones en nuevos equipos de proceso (www.nf2000.org/secure/Fair/S1264.htm ).
El PLA se puede mezclar con distintos polímeros de origen natural lo que permite desarrollar materiales con mejores propiedades de resistencia incluso con el agua (Biresaw et al., 2003). El mecanismo de reacción para la polimerización del ácido poliláctico (Figura 4) da lugar a polímeros estructurales (PLA), lo que, con otras moléculas poliméricas naturales, permite la obtención de muchos productos considerados de reabsorción y/o biodegradables (Lozano, 1999).
El poliestireno de alto impacto HIPS (High Impact Poly Styrene) es un polímero termoplástico de gran rigidez. El HIPS tiene poliestireno (PS) como matriz e incluye fases dispersas que contienen polibutadieno (PB) (Fischer y Hellmann, 1996). Se desarrolló como una alternativa dúctil al poliestireno de uso general el cual es altamente quebradizo y rígido (Hale et al., 1999). Debido a la constitución química y al parámetro de solubilidad similar de las matrices que se presentan entre el acrilonitrilo estireno (SAN) y poliestireno (PS), existe una interacción muy alta entre el ABS y el HIPS lo cual hasta hoy en día se podrían considerar como materiales auto-compatibilizados (Hobbs, 1986).
En general, el HIPS se sintetiza mediante polimerización en cadena, de estireno en presencia de caucho de polibutadieno (Hale et al., 1999). La estructura clásica (Figura 5) está compuesta por una matriz de poliestireno amorfo que contiene una dispersión uniforme de dominios esferoides compuestos (esferas centradas y unidas entre sí), siendo este último responsable de tales propiedades, como la opacidad, la plasticidad, el alargamiento y la absorción de energía (Fu y Lauke, 1998). El HIPS tiene diversas ventajas en comparación con otros termoplásticos rígidos y quebradizos, sus aplicaciones son variadas y las propiedades térmicas, mecánicas y/o fisicoquímicas se ven gradualmente diferentes como la flexibilidad, la resistencia al impacto, la fácil maquinabilidad, la resistencia a los golpes y el bajo costo (http://wiki.makespacemadrid.org/index.php?title=Materiales/HIPS).
Estireno, b) Butadieno.
Análisis de las propiedades fisicoquímicas, mecánicas y térmicas en materiales de impresión 3D Los materiales poliméricos de impresión 3D poseen diferentes propiedades fisicoquímicas en las que se incluyen las mecánicas, térmicas, ópticas, etc. Las propiedades mecánicas para el ABS, HIPS y PLA (Tabla 1, 2 y 3) indican la fuerza de tensión, elongación y/o compresión que se necesita para hacer que un material pueda ser deformado o quebradizo.
Tabla 1. Propiedades fisicoquímicas del ABS (http://wiki.makespacemadrid.org/index.php?title=Materiales/HIPS).
Las propiedades térmicas al igual que las propiedades mecánicas; expresan el calor, temperatura o cantidad de energía que se necesita para que este polímero pueda ser modificado en su estructura; es evidente que al modificar la estructura del material cambian las propiedades del polímero. Las propiedades mecánicas en las cuales se involucra la resistencia a la tensión, elongación y esfuerzo de flexión para el ABS, son menores en comparación con el PLA y el HIPS, esto quiere decir que el material presenta mayor rigidez al ataque físico, lo cual le ayudará a resistir la abrasión y cualquier esfuerzo de deformación. En el caso de las propiedades térmicas, la temperatura de transición vítrea sigue siendo mayor para el ABS, aunque ahora presenta una mayor resistencia a la deformación por aumento térmico el HIPS sobre el PLA. Tabla 2. Propiedades térmicas del PLA (Farah et al., 2016).
Tabla 3. Propiedades mecánicas del PLA (Farah et al., 2016).
Tabla 4. Propiedades fisicoquímicas del HIPS (http://www.resirene.com.mx/wp-content/uploads/2017/06/HS-RESIRENE-HIPS-SGA v4.pdf)
Conclusiones
Las propiedades fisicoquímicas y mecánicas del material polimérico para su uso en tecnología de “impresión 3D son de vital importancia, ya que de ellas dependen las condiciones de procesamiento al que pueden someterse. Existe una gran cantidad de materiales poliméricos utilizados en nuevas tecnologías, presentando diferentes ventajas, sin embargo, se busca un mismo objetivo, el tener objetos impresos o productos que bajo ciertas condiciones de procesamiento adquieran las características que un material necesita para poder ser reutilizado, esto quiere decir que al ser re-procesado pueda mantener sus propiedades originales.
Agradecimientos
Se agradece a la Universidad Autónoma de Coahuila, la Facultad de Ciencias Químicas, y al posgrado de Ciencia y Tecnología de los Materiales, por todas las atenciones brindadas para la elaboración de este proyecto, de la igual manera al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) por la beca otorgada.
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