Avances en la fabricación por filamento fundido de componentes metálicos mediante nuevos sistemas ligantes, análisis reológico y caracterización mecánica

Resumen

La Fabricación por Filamento Fundido (FFF) de componentes metálicos es una técnica prometedora para la fabricación de piezas de alta complejidad geométrica y a coste competitivo. Se trata de una técnica de fabricación aditiva, donde los componentes se constituyen capa a capa hasta el conformado completo de geometría deseada. La FFF presenta un especial interés no solo para la consecución de prototipos en la etapa de prueba de diseño de un nuevo componente, sino también para la fabricación de un componente final plenamente funcional. En este sentido, esta técnica se puede emplear cuando la geometría de las piezas presenta unas características que imposibilitan o elevan sustancialmente el coste mediante su producción por tecnologías más convencionales o cuando las series de producción son relativamente pequeñas. Al igual que en el Moldeo por Inyección de Metales (MIM), la FFF de metales está constituida por un sistema ligante que sirve como vehículo conductor para hacer pasar el polvo por la impresora y dar la forma deseada a las piezas, de forma análoga a la impresión de filamentos poliméricos. Tras el conformado, las etapas de eliminación del sistema ligante y la sinterización permiten obtener piezas metálicas totalmente funcionales. Uno de los retos más significativos de esta técnica es la obtención de filamentos con alta flexibilidad, rigidez y fluidez al mismo tiempo que poseen una alta carga metálica (>50 %vol.). El principal propósito de esta tesis doctoral es el establecimiento de criterios universales para el desarrollo de ligantes aptos para FFF y la determinación de la carga metálica óptima, de manera que se obtengan piezas funcionales de 3 aleaciones metálicas, lo que supone una aportación científica significativa sobre las características de estas mezclas, que se encuentran en pleno desarrollo para la tecnología FFF. El sistema ligante óptimo se desarrolla tras el análisis de tres sistemas ligantes con comportamientos diferentes, debido a la utilización de polímeros termoplásticos de diferente naturaleza. El sistema ligante seleccionado se emplea en el procesado de los polvos metálicos de un acero inoxidable martensítico de endurecimiento por precipitación (17-4PH), acero de herramientas (AISI M2) y un acero de baja aleación (Fe-8Ni), como prueba de validez y requiriendo pequeñas adaptaciones en su composición, sistemáticas y justificadas, para su empleo con los diferentes polvos metálicos Además, el sistema ligante necesita asegurar su correcta eliminación de las piezas en verde durante la etapa previa a la sinterización, siendo ésta una de las más críticas en el procesado de piezas con polímeros de sacrificio. Por otro lado, se analiza la influencia del empleo de polvos prealeados o polvos mezclados sobre las características mecánicas de los filamentos, la capacidad de impresión y la consecución de piezas finales libres de defectos siendo un aspecto prácticamente inexplorado en este tipo de filamentos. En cuanto a la impresión de las piezas en verde, se determina la velocidad máxima de impresión utilizando como criterio limitante la capacidad máxima del filamento a impulsar la extrusión del material antes de producir el desgarro o cizallamiento del mismo por las ruedas dentadas que impulsan el filamento, suceso crítico durante la impresión, ya que la debilitación del mismo puede provocar defectos críticos en las piezas o la interrupción total del proceso. Los valores límites descritos por primera vez se determinan mediante un criterio que involucra tanto aspectos mecánicos de los filamentos como las capacidades reológicas del material. Finalmente, se evalúa el efecto de la impresión tridimensional por FFF sobre las propiedades mecánicas de las probetas finales y se realiza la impresión de piezas reales de alta complejidad y de interés industrial. De esta forma, se analiza la influencia que tienen los defectos internos, los defectos superficiales y la elección correcta de la orientación de impresión sobre propiedades como la resistencia a tracción, flexión y a impacto. Por otro lado, los resultados obtenidos son de alto interés científico e industrial y suponen el primer criterio universal para la determinación de la carga metálica en FFF y el establecimiento de las condiciones óptimas de impresión en el estado del arte actual. Esta aportación práctica puede facilitar el desarrollo de nuevos filamentos, promoviendo el conocimiento de esta técnica con gran potencial de complementar a otras técnicas de procesado más consolidadas, como el MIM.