Impresión 3D de caucho de silicona líquida mediante la fabricación de aditivos líquidos

Impresión 3D de caucho de silicona líquida mediante la fabricación de aditivos líquidos

En la 194a Reunión Técnica de la División del Caucho, ACS, de octubre de 2018 se presento un documento que realizaba un estudio sobre la impresión 3d de silicona o goma de silicona líquida. Como veremos más adelante en este estudio se observó que la diferencia entre piezas de silicona inyectadas en molde o imprimidas en 3D podría ser prácticamente nula.

 

Actualmente la inmensa mayoría de piezas de silicona se producen mediante inyección en molde o prácticamente todas.

 

El problema principal que se plantea es para aquellos casos en que se requieren de recambios de silicona como juntas de estanqueidad, recambios de máquinas antiguas, etc. donde el usuario no tiene acceso a un recambio (por ejemplo porque se encuentra en alta mar o en una zona incomunicada) o porque el recambio ya no se fabrica.

 

Otro problema común es para toda la industria que trabaja con moldes de inyección, cuando tienen que validar con el cliente los prototipos, estos deben invertir en moldes preserie, con el coste que esto conlleva. 

 

La primera impresión 3d conocida de un material elástico y suave utilizó elastómeros termoplásticos, conocido también como TPE o TPU, en formato filamento. Estos materiales tienen una limitación en lo relativo a temperatura de uso, que queda alrededor de los 100ºC.

 

Por este motivo cobra sentido investigar sobre materiales termoestables de caucho o goma que son materiales que tienen un rango de temperatura de uso más amplio y más alto. Los materiales termoestables no pueden ser fundidos e impresos y por ello requieren de otro proceso de impresión (Liquid Additive Manufacturing) como el que aplican las impresoras 3D FELIXprinters PRO SILICONE.

 

La impresora 3D FELIXprinters PRO SILICONE está disponible en versión híbrida, que aparte del extrusor de silicona incluye otro extrusor de filamento para poder fabricar piezas con ambos materiales o para utilizar un soporte para la silicona, la FELIXprinters PRO SILICONE .

 

Imprimir la silicona en estado líquido es muy útil, pero cabe considerar que es un material sensible a las temperaturas antes de ser activado y termoestable, lo que puede provocar quemaduras. La utilización de una buena silicona es importantísimo. Esta debe tener una viscosidad fluida a temperatura ambiente y debe tener un amplio rango de temperatura.

 

Disponemos de dos tipos de silicona en impresión 3D, las que vulcanizan a temperatura ambiente (RTV) o las que vulcanizan mediante un activador.

 

En el mercado existen siliconas desarrolladas para este propósito debido a su gran utilidad para producir piezas con capacidad de test funcional a temperaturas que frecuentemente se requieren en sectores como el automotriz, aeroespacial y la industria química, donde la resistencia química y a fluidos es un requisito.

 

Existen estudios que comparan las propiedades de una pieza de silicona fabricada por impresión 3d contra una pieza de silicona fabricada en molde. En la fabricación aditiva líquida, la impresora aplica de forma continua gota a gota para realizar cada capa. En la figura siguiente se ve la orientación de la impresión que ilustran las condiciones de relleno rectilíneo.

De la prueba realizada se determinó que el perfil de impresión (d) fue el que obtuvo mejor adhesión de gotas y capas.

 

 

Para conseguirlo se parametrizo el software de impresión 3d SIMPLIFY3D considerando la dirección de impresión 3d. Este software profesional te permite parametrizar tanto la orientación del relleno interno como externo. Para el propósito de este estudio se parametrizaron los patrones de capa a 0 grados para todos los casos (eje de las X). Se descubrió que las gotas se adhieren mejor cuando se colocan capas sucesivas paralelas con orientación descentrada. Por ello entendemos que todas las gotas están alienadas y la capa superior llena el canal entre las gotas de la capa subyacente o inferior. Utilizar porcentajes de relleno más grandes ayuda en este aspecto. Las propiedades anisotrópicas pueden evaluarse considerando el módulo de Young y la relación de Poisson a partir de constantes elásticas en cualquier orientación.

Estudio de dirección de impresión X-Y a X-Z

La dirección de impresión Z representa la adhesión de capa a capa y es mecánicamente diferente de la adhesión de gota a gota en la dirección X o Y. Esto se debe a la acción del cabezal de la impresora 3D LAM. El cabezal de la impresora coloca una capa a la vez. Cada capa está compuesta de múltiples recorridos de gotas en un patrón rectilíneo. La superposición de gotas en cada capa debe fluir y tejer juntas, y adherirse a medida que se calienta y/o se cura. Hay que tener en cuenta entonces, que el curado y, por lo tanto, la adhesión de cordón a cordón, se logran con cordones adyacentes no curados y curados juntos; mientras que la capa superior se coloca encima de la capa previamente curada. Por lo tanto, la losa X-Y tiene un historial de calentamiento y curado muy diferente que la losa X-Z. En la losa XY, hay un período mucho más largo para construir la capa subyacente, mientras que en la losa XZ, en este caso la impresora cuenta con una lámpara de calentamiento que pasa con mucha más frecuencia, por un factor de aproximadamente 70 a uno (70: 1), en este caso.

Estudio de propiedades físicas de la pieza impresa en 3d versus la inyectada en molde.

 

En la siguiente gráfica de radar, la línea roja representa las propiedades de una muestra fabricada mediante inyección. La línea verde representa las propiedades de una muestra fabricada en impresión 3d con una losa impresa en la dirección X-Y, y la línea azul representa una muestra fabricada en impresión 3d con una losa impresa en la dirección X-Z.

 

Las líneas azul y verdes están representadas encima de la línea roja. Por ello cuando vemos una línea roja en la gráfica de radar implica una diferencia de la pieza inyectada versus la pieza impresa.

 

En el gráfico podemos apreciar pequeñas diferencias entre la pieza inyectada en molde y la de impresión 3d en lo referente a propiedades de tracción y de módulo en la que resultan ser más bajas las de impresión 3d, mientras que el alargamiento es más alto en impresión 3d.

De este ensayo se determino realizar un nuevo ensayo con un post curado de 4 horas a 200ºC de la pieza impresa y con el se consigue una alineación de las propiedades físicas de la pieza.

 

 

Conclusiones

 

Con este estudio se determinó que las muestras impresas tienen propiedades análogas a las muestras producidas mediante inyección en molde, considerando las coordenadas en X, Y y Z.

Se confirmo la hipótesis de que la anisotropía es la misma en la impresión 3d que en el moldeo. La pieza fabricada mediante impresión 3d fue ensayada trabajando a temperaturas de servicio superiores a 200ºC y funciono correctamente.

 

Solución

 

Mediante la impresión 3d en silicona con la FELIXprinters PRO SILICONE, se pueden fabricar juntas de estanqueidad para el mantenimiento de máquinas sin necesidad de disponer de stock de todas las referencias, se pueden obtener piezas para validación de producto sin invertir en moldes preserie, se pueden fabricar recambios obsoletos, entre muchas otras aplicaciones.

 

Ventajas:

  1. El departamento de ingeniería puede producir prototipos de silicona mediante impresión 3d para validar el diseño de una forma mucho más rápida, y puede validar el diseño realizando los ensayos funcionales debido a que las propiedades físicas de la pieza impresa versus la pieza inyectada en molde son análogas.
  2. El departamento de mantenimiento rebaja el coste de estocaje del almacén y dispone de total libertad para planificar el mantenimiento preventivo y afrontar averías inesperadas.
  3. Las piezas fabricadas mediante impresión 3d de silicona son análogas las producidas en masa mediante un proceso de moldeo por inyección.

 

Este artículo se basa en un documento presentado en la 194a Reunión Técnica de la División del Caucho, ACS, octubre de 2018.

Share this post

Deja un comentario