Sistema de extrusión de material de alta gravedad y mejora del rendimiento del ácido poliláctico extruido

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 14224 (2023) Citar este artículo

Detalles de métricas

La fabricación aditiva (AM) ha ganado mucha atención en los últimos años debido a su capacidad para fabricar rápida y fácilmente formas y geometrías complejas que son difíciles o imposibles de lograr con los métodos de fabricación tradicionales. Este estudio presenta el desarrollo de un sistema de extrusión de material de alta gravedad (HG-MEX), que genera un campo de alta gravedad mediante aceleración centrífuga. En este proceso, el material se disuelve calentando la boquilla y posteriormente se deposita sobre la plataforma de construcción. El objetivo principal de esta investigación es evaluar los efectos positivos de la gravedad en la extrusión de materiales (MEX), que es un aspecto clave de la AM. Para ello se construye una máquina combinada compuesta por una unidad MEX y una centrífuga. Este sistema HG-MEX se utiliza para analizar y reflejar la influencia de la gravedad en la extrusión del material. Las evaluaciones experimentales demuestran que la aplicación de alta gravedad es un enfoque prometedor para mejorar la precisión de la forma y el rendimiento de las piezas fabricadas a través de MEX. En particular, nuestros resultados confirman la viabilidad de utilizar MEX bajo alta gravedad para mejorar el rendimiento en los procesos de fabricación aditiva.

La fabricación aditiva (AM) se emplea normalmente para crear objetos tridimensionales añadiendo secuencialmente capas de material1. A diferencia de los métodos de fabricación tradicionales, la AM puede fabricar fácilmente formas y geometrías complejas que de otro modo serían desafiantes o inviables2,3,4,5. Además, la gama de materiales utilizados en la AM es diversa y abarca plásticos, metales, cerámicas e incluso materiales biológicos6,7,8,9,10. En consecuencia, la AM tiene una amplia gama de aplicaciones en industrias como la aeroespacial, la automotriz y la sanitaria11. Por lo tanto, la AM tiene el potencial de revolucionar la fabricación al permitir una producción más rápida, más eficiente y más personalizada.

Una característica notable de la AM es su capacidad para facilitar la fabricación flexible de formas complejas y cambios de diseño individuales12. Sehhat et al.13,14 estudiaron el efecto de la temperatura y la variación del material sobre las propiedades mecánicas de piezas fabricadas mediante modelado por deposición fundida (FDM). Además, validaron la transformación de tensiones en material anisotrópico fabricado aditivamente mediante FDM. Además, Mohamed et al.15 estudiaron la optimización de los parámetros del proceso FDM. Además, Charalampous et al.16 investigaron la optimización del comportamiento mecánico basada en el aprendizaje automático de construcciones impresas en 3D fabricadas mediante el proceso FFF. Además, Li et al.17 estudiaron el efecto de los parámetros del proceso en el modelado de deposición fundida sobre el grado de unión y las propiedades mecánicas. Se espera que la AM se convierta en la tecnología central del sistema de fabricación de próxima generación18,19,20. En la década de 2010, la NASA inició pruebas de impresión 3D en la Estación Espacial Internacional, con el objetivo de garantizar la sostenibilidad en diversas actividades espaciales21. A partir de 2020, los proyectos a largo plazo que implican misiones lunares y marcianas necesitarán capacidades de mantenimiento y reparación en entornos espaciales regulados. En este sentido, la AM ha atraído una atención significativa debido a sus excelentes características de ahorro de recursos y espacio22. Incluso en la Tierra, los experimentos de campo de microgravedad en AM se han llevado a cabo basándose en experimentos de vuelo parabólico en Estados Unidos, China y Alemania23.

Los esfuerzos de investigación antes mencionados relacionados con la AM en microgravedad han revelado que los entornos de microgravedad no son propicios para el proceso de fabricación. En la AM en microgravedad, fijar el material en el escenario es un desafío y las fallas residuales en el depósito no pueden expulsarse debido a la ausencia de fuerzas de flotación. Varios estudios de AM han intentado lograr un suministro de material denso y eliminar los microporos en el depósito, incluso en condiciones de 1 G24. Según los resultados informados, esperamos que se mejoren varios índices de evaluación en condiciones de 1 G. Por lo tanto, esta conclusión sirve como motivación para el desarrollo de una nueva tecnología AM que aprovecha niveles de gravedad superiores a 1 G. En este sentido, el sistema de extrusión de material de alta gravedad (HG-MEX) es una instalación especializada diseñada para operar en condiciones de alta gravedad. -condiciones de gravedad, creando así nuevas oportunidades para aplicaciones comerciales e industriales. HG-MEX puede potencialmente abordar ciertos desafíos relacionados con la AM en condiciones espaciales y de microgravedad. Por lo tanto, puede desempeñar un papel crucial para satisfacer la necesidad de técnicas de fabricación eficientes y confiables y hacer avanzar la fabricación aditiva en entornos espaciales y de microgravedad.

Este estudio se centra en la extrusión de materiales (MEX), que es uno de los procesos más utilizados en la fabricación aditiva de metales. En el proceso MEX, un material termoplástico se funde y se extruye a través de una boquilla para crear un objeto25,26,27. MEX puede producir piezas con precisión y calidad adecuadas28,29,30. La flexibilidad de MEX permite la producción de geometrías complejas y productos personalizados, lo que lo convierte en una herramienta valiosa para la creación de prototipos y la producción de lotes pequeños31,32,33. En el contexto de MEX, la gravedad podría tener potencialmente varios efectos en el proceso34,35,36,37,38. La Figura 1 presenta diferencias en el método MEX debido a cambios en la gravedad.

Diferencias en el método MEX por cambios de gravedad.

En este estudio, se desarrolló un sistema HG-MEX con una producción máxima de 32 G (1 G = 9,81 m/s2) y se evaluaron los efectos de la alta aceleración gravitacional en el proceso y los productos. Aunque la utilización del proceso AM en microgravedad ha atraído una atención significativa como posible método de producción en el espacio, no se ha realizado ninguna investigación para aplicar activamente una alta aceleración al proceso MEX. La alta gravedad puede dotar al MEX de varios efectos positivos. Por lo tanto, en esta propuesta, la aceleración gravitacional se considera un factor controlable que tiene un potencial considerable para mejorar el proceso MEX. En este estudio, se realizaron experimentos utilizando varias aceleraciones gravitacionales de 1 a 32 G, y los resultados demuestran que la alta aceleración gravitacional mejora el rendimiento de precisión MEX de las piezas fabricadas.

Para diseñar un sistema HG-MEX, cada componente debe considerarse cuidadosamente para garantizar una elaboración eficiente y eficaz. Descuidar cualquiera de estos componentes puede generar varios problemas, incluidos impactos negativos en la calidad y eficiencia del proceso.

La fuerza centrífuga es la fuerza aparente que actúa sobre un objeto que se mueve en una trayectoria circular, alejada del centro de rotación. Es una fuerza de inercia que surge del movimiento del objeto, más que de cualquier interacción física. En un sistema giratorio, la fuerza centrífuga es la fuerza hacia afuera que empuja los objetos lejos del centro de rotación. Esta fuerza generalmente se aprovecha en procesos industriales, como la separación de partículas sólidas de líquidos o gases en centrífugas. La Figura 2 presenta la relación entre la tensión superficial y la fuerza de gravedad en la boquilla de extrusión.

Característica del material durante MEX.

Para permitir la expulsión del material por el orificio de salida, se debe superar la tensión superficial. La tensión superficial es particularmente fuerte en agujeros de pequeño diámetro. La resolución del modelado en MEX depende del diámetro del orificio de salida de la boquilla. Si el diámetro del orificio de salida es extremadamente pequeño, el material no se puede liberar debido a la tensión superficial, como se muestra en la Fig. 2a. El número de Eötvös (\({\mathrm{E}}_{\mathrm{o}}\)) se utiliza como índice para evaluar si el material se puede extruir; está definido por la siguiente ecuación.

donde \(\Delta\uprho\) es la diferencia de densidad; \(\mathrm{g}\) es la aceleración gravitacional; \(\mathrm{L}\) es el diámetro del agujero; y \(\upsigma\) es la fuerza de tensión superficial. \({\mathrm{E}}_{\mathrm{o}}\) disminuye en un factor de 1/n2 a medida que el diámetro del agujero disminuye en un factor de 1/n; en consecuencia, predomina la tensión superficial, impidiendo así que MEX salga de la boquilla. Además, la tensión superficial puede influir significativamente en el número de Eötvös y en los procesos de moldeo del material39,40,41,42,43. Esencialmente, el concepto implica mover partículas de tamaño 1/n veces mayor de manera similar a las partículas originales. Al duplicar la tasa de disminución de cada fuerza, la dirección del vector de aceleración adquiere el mismo valor que el de la partícula original. La Figura 2b presenta el concepto de mover partículas de tamaño 1/n veces.

Se pueden considerar reglas análogas similares incluso en la parte de fase sólida. A medida que el tamaño de partícula disminuye en un factor de 1/n, las fuerzas electrostáticas y del fluido (es decir, fuerzas de área) disminuyen en un factor de 1/n2 proporcionalmente al área de superficie y al área de la sección transversal de la partícula, respectivamente. Se han estudiado los factores de escala asociados con n o n2 veces la gravedad, y estas reglas de similitud se conocen como la “analogía de diferentes campos gravitacionales”, como propone el Dr. Koike44,45. Las reglas de analogía pueden considerarse de la misma manera. Al tener en cuenta los efectos gravitacionales en el diseño y el proceso, se puede investigar el impacto de la gravedad y obtener resultados más precisos y confiables.

El efecto de la gravedad en MEX es una consideración importante en la impresión 3D, particularmente en aplicaciones que requieren alta precisión o exactitud. La gravedad afecta el proceso de extrusión al ejercer una fuerza hacia abajo sobre el material cuando sale de la boquilla, lo que puede dar lugar a diferentes características de rendimiento. Al comprender y tener en cuenta los efectos de la gravedad, se pueden producir objetos MEX de alta calidad incluso en entornos desafiantes. Esto es particularmente importante para aplicaciones donde el impacto de la gravedad en la calidad y el rendimiento general del objeto puede ser significativo.

En el sistema HG-MEX propuesto, la aceleración resultante de las aceleraciones centrífuga y gravitacional se aplica perpendicular a la superficie de construcción. La unidad MEX está sujeta a un movimiento de rotación usando un tipo axial vertical, y la aceleración resultante (\({a}_{r}\)) que actúa sobre la superficie de modelado es la aceleración gravitacional (\({\mathrm{a}} _{\mathrm{g}}\)) y aceleración centrífuga (\({\mathrm{a}}_{\mathrm{c}}\)).

La aceleración centrífuga, \({\mathrm{a}}_{\mathrm{c}}\) [m/s2], se expresa de la siguiente manera.

donde \({\mathrm{r}}_{\mathrm{s}}\) [m] es la distancia desde el centro del cuerpo giratorio hasta la superficie de construcción y \({\upomega }_{\mathrm{s }}\) [rad/s] es la velocidad de rotación. La velocidad de rotación de \(\mathrm{N}\) [min−1] se expresa como:

La aceleración resultante \({\mathrm{a}}_{\mathrm{r}}\)[m/s2] se expresa como:

donde \({a}_{c}\) [m/s2] es la aceleración centrífuga y \({\mathrm{a}}_{\mathrm{g}}\) [m/s2] representa la aceleración gravitacional natural aceleración (1 G) en la dirección perpendicular a la superficie de la Tierra. Además, la relación entre la aceleración resultante y la velocidad de rotación N [min−1] se expresa de la siguiente manera.

Con base en estas ecuaciones, el dispositivo experimental en este estudio fue diseñado para alcanzar una velocidad de rotación de 39,6 [rad/s] con una plataforma giratoria de diámetro, produciendo así una aceleración resultante máxima de 32 G (|r|= 0,2 m; N = 378,3 [min−1]) a la unidad MEX.

Para compensar el efecto de la alta gravedad en MEX, se debe desarrollar un sistema de impresión 3D especializado en el espacio u otros campos de alta gravedad. Como muchos fabricantes de máquinas herramienta ya cuentan con excelentes técnicas para rotar objetos de gran masa a altas velocidades y con gran precisión, desde un punto de vista económico es preferible una máquina combinada que incluya una centrífuga y una unidad MEX. Considerando que la unidad MEX debe instalarse sobre una mesa giratoria, se desea un mecanismo compacto y liviano con una cantidad mínima de componentes para el proceso de deposición. Al girar el sistema centrífugo, se pueden crear condiciones de mayor gravedad. La Figura 3 presenta el modelo de diseño asistido por computadora 3D y el sistema de máquina HG-MEX desarrollado en este estudio.

Esquemas y fotografía de la máquina HG-MEX desarrollada.

En esta investigación, se empleó el sistema MEX de alta gravedad. Controlando la velocidad de rotación del motor, se pueden generar diferentes niveles de gravedad aparente. El ácido poliláctico (PLA) es un material termoplástico popular utilizado en la impresión 3D46,47. Las propiedades mecánicas del filamento PLA utilizado en este estudio se enumeran en la Tabla 1.

Las condiciones MEX pueden afectar las propiedades de las piezas fabricadas de varias maneras, y ajustar estas condiciones puede ayudar a lograr las propiedades deseadas37,48. Por lo tanto, en este documento, se diseñaron experimentos con diferentes niveles de gravedad seleccionando un control de motor apropiado que se adapta a las condiciones de gravedad y los objetivos de este estudio. El filamento PLA se obtuvo del fabricante Voxelab. Además, la impresión 3D se realizó a una temperatura ambiente de 25 ℃, con una velocidad de extrusión de 10 mm/s. Para MEX se estableció una temperatura de boquilla de 200 ℃ y una temperatura de lecho de 50 °C. Se dejó que el material fluyera naturalmente desde la boquilla y se acumulara naturalmente. La boquilla, un componente clave en los sistemas de fluidos, es responsable de controlar el flujo de fluidos. El tamaño de boquilla utilizado en este estudio fue de 0,4 mm. El filamento se introdujo en la extrusora y se fundió mediante la boquilla calentada durante el proceso MEX.

En MEX, al controlar la velocidad de rotación del motor, simulamos varias condiciones de gravedad, que van de 1 a 32 G. Al instalar una cámara al lado de la unidad MEX, se capturó el proceso MEX. Tenga en cuenta que cuando el material sale de la boquilla de una impresora 3D MEX, sufre una serie de cambios físicos y químicos a medida que se calienta, funde y enfría para formar un objeto sólido. El proceso de extrusión de un material desde una boquilla en una impresora 3D MEX es complejo y preciso.

A medida que se deposita el material fundido, se enfría y solidifica, formando así el objeto. Considerando el caso en el que el material se extruye directamente, comparamos los efectos de diferentes estados de gravedad en el proceso de extrusión. El proceso de MEX en AM está influenciado por la fuerza gravitacional. Cuando la impresora funciona en condiciones de alta gravedad, la fuerza y los factores de gravedad pueden hacer que el material extruido se comporte de manera diferente a como lo haría en condiciones de 1 G. En condiciones de alta gravedad, el material puede ser arrastrado hacia abajo con más fuerza, lo que resulta en adelgazamiento y estiramiento. Esto provoca una disminución en el tamaño del material extruido y afecta la calidad general del objeto. Diferentes condiciones de gravedad dan como resultado un rendimiento diferente del MEX. La Figura 4 presenta los resultados de MEX bajo diferentes condiciones de gravedad con un tamaño de boquilla de 0,4 mm.

MEX bajo diferentes condiciones de gravedad.

A medida que el material sale de la boquilla, tiende a mantener una forma cilíndrica debido a la tensión superficial y sus propiedades. La tensión superficial hace que la superficie del material tire hacia adentro, es decir, hacia el centro de la forma cilíndrica. Al centrarnos en el área donde el material salió de la boquilla, descubrimos que diferentes condiciones de gravedad daban como resultado un rendimiento diferente.

Al observar desde el lugar de la extrusión del PLA desde la boquilla, el proceso MEX es casi similar; al observar el ancho del tamaño de la línea, el tamaño de la línea del campo de alta gravedad (20 G, 25 G, 32 G) es más delgado que 1 G. La Figura 5 presenta una vista general del MEX logrado con un tamaño de boquilla de 0,4 mm.

Vista general del MEX con una boquilla de 0,4 mm de tamaño.

MEX se logró con un tamaño de boquilla de 0,4 mm. Con este tamaño de boquilla, la impresora puede producir detalles finos y geometrías intrincadas. En diferentes condiciones de gravedad, el proceso básico de formación del modelo es aproximadamente idéntico y el estado del modelo también es similar. La vista microscópica de objetos de extrusión en diferentes condiciones de gravedad revela la influencia de diferentes niveles de gravedad en MEX; las diferencias observadas son significativas. La Figura 6 presenta la vista de MEX bajo diferentes condiciones de gravedad usando un microscopio.

Influencia de diferentes condiciones de gravedad en MEX, vista al microscopio.

En PLA MEX de alta gravedad, a medida que aumenta la gravedad, el tamaño de la línea (L) disminuye y el rendimiento del MEX mejora en comparación con menos de 1 G. El tamaño de la línea (L) del MEX en condiciones de alta gravedad es significativamente más pequeño que eso. por debajo de 1 G. Bajo una temperatura de extrusión de la boquilla de 200 ℃, comparamos el rendimiento de MEX en diferentes campos de gravedad. La gravedad afecta el comportamiento de un filamento al tirar de él hacia abajo, lo que hace que se estire o se doble. La Figura 7 presenta el desempeño de MEX bajo diferentes campos de gravedad.

Desempeño de MEX bajo diferentes condiciones de gravedad.

La Figura 7a presenta el rendimiento del tamaño de línea. El tamaño de línea MEX (L) en 1 G, 5 G, 10 G, 15 G, 20 G, 25 G y 32 G es 555, 196, 165, 145, 133, 118 y 114 μm, respectivamente. El tamaño de la línea en condiciones de alta gravedad de 32 G (114 μm) es menor que el obtenido con 1 G (555 μm). A medida que aumenta la gravedad, el tamaño de la línea disminuye. En particular, de 1 a 32 G, el tamaño disminuye aproximadamente un 79,5%, de 5 a 10 G, disminuye aproximadamente un 15,8%, de 20 a 25 G, disminuye aproximadamente un 11,3%, y de 25 a 32 G, disminuye aproximadamente un 3,4%. Por tanto, a medida que aumenta la gravedad, se reduce la proporción de tamaño reducido.

La Figura 7b presenta el rendimiento del peso de MEX bajo diferentes campos de gravedad. El peso por debajo de 1 G, 5 G, 10 G, 15 G, 20 G, 25 G y 32 G es 72, 117, 126, 143, 220, 421 y 573 mg, respectivamente. A medida que aumenta la gravedad, aumenta el peso. En particular, de 1 a 32 G, el peso aumentó en un factor de aproximadamente 6,96, de 15 a 20 G, aumentó en un factor de aproximadamente 0,54, y de 25 a 32 G, aumentó en un factor de aproximadamente 0,36. Estos resultados indican que una mayor gravedad acelera simultáneamente tanto el flujo de material como el MEX. En particular, la gravedad influye en el MEX y en la precisión de la deposición del objeto. Al considerar la influencia de la gravedad e implementar estrategias para mitigar sus efectos, se pueden mejorar las características MEX y la precisión de la deposición del objeto.

Bajo diferentes campos de gravedad, la acción de la gravedad posiblemente provoque un cambio relevante en la tensión superficial. La tensión superficial juega un papel importante en el comportamiento del material cuando sale de la boquilla de impresión 3D. El material extruido de la boquilla forma una gota de plástico fundido. A medida que la gota de material se enfría y solidifica, su forma se ve influenciada por la tensión superficial del material. La tensión superficial hace que el material tire hacia adentro, hacia el centro de la gota. Por lo tanto, una alta gravedad puede conducir a una compresión más pronunciada del material, lo que resulta en una extrusión más delgada y tasas de flujo potencialmente más altas. Por lo tanto, se logra un extruido más fino y un flujo de material más rápido bajo una mayor gravedad. Este extruido más delgado influye en la geometría en los procesos de AM. El efecto combinado de estos factores conduce a diferentes desempeños bajo diferentes condiciones del campo gravitacional. Estas características son beneficiosas para lograr una deposición precisa del material, particularmente para detalles intrincados o finos del objeto. Por lo tanto, HG-MEX se muestra prometedor a la hora de mejorar la forma y el rendimiento de la velocidad del flujo de las piezas fabricadas.

Este estudio desarrolló con éxito un sistema capaz de generar un alto campo gravitacional en el proceso MEX para realizar MEX. Se evaluó experimentalmente el efecto de la aceleración gravitacional sobre el proceso y el depósito fabricado. El aumento de las fuerzas gravitacionales puede provocar una compresión más pronunciada del material, lo que esencialmente da como resultado una extrusión más delgada y velocidades de flujo potencialmente más altas. Estos resultados demuestran el potencial prometedor de la alta gravedad en la mañana.

Este estudio evaluó los efectos positivos impulsados por la gravedad en MEX, un AM. Los resultados experimentales indican que las condiciones gravitacionales elevadas pueden mejorar la precisión de la forma de las piezas fabricadas mediante MEX. En particular, el MEX mostró mejoras significativas con un alto campo gravitacional de 20 G o más, que fue particularmente pronunciado a velocidades de repintado más altas. El tamaño y el peso de la línea de menos de 32 G disminuyeron aproximadamente un 79,5 % y aumentaron en un factor de 6,96 con respecto a los de 1 G, respectivamente. Estos resultados confirman el rendimiento mejorado de MEX bajo alta gravedad y demuestran la aplicabilidad de HG-MEX.

Los resultados sugieren que el sistema HG-MEX ofrece distintas ventajas sin alterar la composición del material al aprovechar la alta gravedad. La mayor gravedad facilita mayores caudales y permite la producción de extruidos más delgados. Estas características son beneficiosas para la deposición precisa de material, particularmente para detalles intrincados o finos del objeto. Por lo tanto, HG-MEX tiene un gran potencial para abordar diversos desafíos en MEX. En investigaciones futuras, planeamos explorar condiciones de gravedad aún mayores, más allá de 32 G, e investigar escenarios MEX más complejos. Esto nos permitirá descubrir aún más las ventajas sin precedentes de HG-MEX, como una fabricación sin defectos y una suavidad de superficie mejorada.

Los conjuntos de datos utilizados o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Este artículo se basa en los resultados obtenidos de un proyecto del Instituto Kanagawa de Ciencia y Tecnología Industrial (KISTEC).

Departamento de Investigación y Desarrollo, Instituto Kanagawa de Ciencia y Tecnología Industrial, 705-1 Shimoimaizumi, Ebina, Kanagawa, 243-0435, Japón

Xin Jiang

Departamento de Ingeniería de Diseño de Sistemas, Universidad de Keio, 3-14-1, Hiyoshi, Kohoku-ku, Yokohama, Kanagawa, 223-8522, Japón.

Xin Jiang y Ryo Koike

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RK concibió y supervisó el proyecto. XJ llevó a cabo los experimentos y analizó e interpretó los datos. Todos los autores discutieron los resultados y contribuyeron a la redacción y revisión del manuscrito.

Correspondencia a Ryo Koike.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Jiang, X., Koike, R. Sistema de extrusión de material de alta gravedad y mejora del rendimiento del ácido poliláctico extruido. Informe científico 13, 14224 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40018-7

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Recibido: 06 de junio de 2023

Aceptado: 03 de agosto de 2023

Publicado: 30 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40018-7

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