16ª Conferencia CIRP sobre Cálculo Inteligente en Ingeniería de Manufactura, CIRP ICME '22, Italia
Prueba preliminar sobre el efecto del recocido directo en las propiedades de flexión de PEEK fabricado por adición
Luigi Morfinia, *, Maria Grazia Guerraa, Fulvio Lavecchiaa, Roberto Spinaa, b, c, Luigi Maria Galantuccia
a Dipartimento di Meccanica, Matematica e Management (DMMM), Politecnico di Bari, Bari, Italia
b Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN)-Sezione di Bari, Bari, Italia
c Consiglio Nazionale delle Ricerche-Istituto di Fotonica e Nanotecnologie (CNR-IFN), Bari, Italia
Resumen
Los polímeros de ingeniería se utilizan ampliamente en aeronáutica, automoción, aviación y biomedicina. Se pueden procesar con diferentes tecnologías y fabricación aditiva. El polieterétercetona (PEEK) es un polímero semicristalino que exhibe excelentes propiedades mecánicas y resistencia a altas temperaturas. Siendo un polímero semicristalino, se pueden utilizar tratamientos térmicos para mejorar sus propiedades. Se pueden llevar a cabo en horno o a través de un sistema de recocido directo incluido en la máquina de Fabricación de Filamento Fundido (FFF). Este estudio pretende proporcionar más información sobre la correlación entre el recocido y las propiedades de flexión de muestras de PEEK fabricadas por tecnología FFF. Se llevó a cabo un proceso de recocido directo, realizado durante la impresión, y se comparó con un recocido tradicional en horno con duración similar. Las propiedades de flexión se analizaron en función del tipo de recocido y la temperatura.
© 2023 The Authors. Published by Elsevier B.V.
Este es un artículo de acceso abierto bajo la licencia CCBY-NC-ND (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0)
Revisión por pares bajo la responsabilidad del comité científico de la 16ª Conferencia CIRP sobre Cálculo Inteligente en Ingeniería de Manufactura
Palabras clave: Fabricación de filamento fundido; PEEK; Recocido; Resistencia a la flexión; Fabricación aditiva
1. Introducción
Los procesos de Fabricación Aditiva (AM) con polímeros se utilizan continuamente en aeronáutica, automoción, aviación, biomedicina y energía para prototipado y fabricación de piezas funcionales con la liberación de nuevos materiales de alta calidad [1]. El polieterétercetona (PEEK) es un termoplástico lineal, aromático y semicristalino [2] empleado en estos campos por sus excelentes propiedades térmicas, químicas y mecánicas [3]. Procesos de PEEK, como el moldeo por inyección, o los más recientes procesos de fusión en lecho de polvo AM, como la Sinterización con Láser Selectivo (SLS) o la Deposición de Energía Directa (DED). En los últimos años, se han realizado esfuerzos para producir piezas de PEEK utilizando Fabricación de Filamento Fundido (FFF) para reducir los costos de producción [4]. Aunque FFF se ve cada vez más como una tecnología fácil de usar, obtener buenos resultados de impresión con PEEK requiere un esfuerzo significativo debido a las características específicas del material y el proceso. Varios parámetros influyen en los resultados, principalmente la temperatura de impresión, la altura de capa y la velocidad de impresión [5]. El Magri et al. [6] realizaron un análisis de Diseño de Experimentos (DoE) de los principales parámetros del proceso FFF, revelando que la temperatura de extrusión fue la más influyente en las propiedades de tracción y el grado de cristalinidad del PEEK impreso. Otros parámetros relacionados con las estrategias de deposición, como la densidad de relleno y el desplazamiento del ángulo de relleno, fueron significativos en las propiedades de tracción y flexión [7], [8]. Los parámetros mencionados anteriormente son cruciales ya que afectan directamente la adhesión entre capas. En este sentido, las muestras de PEEK impresas con parámetros no optimizados mostraron propiedades mecánicas más bajas que las muestras de acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) con parámetros optimizados, según Wu et al. [9].
Se realizaron estudios significativos sobre PEEK, incluyendo análisis de Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC) y otros métodos para establecer un perfil térmico del material. Jin et al. [10] descubrieron que los picos de fusión dobles en el análisis DSC se originaron en la reorganización de los cristales de PEEK debido a la tasa de recristalización más rápida de PEEK que las tasas de calentamiento y enfriamiento impuestas. Según Liaw et al. [11], el análisis del grado de cristalinidad señaló la importancia de obtener un valor alto para mejorar la adhesión de unión entre capas, lo que conduce a propiedades mecánicas elevadas. Se obtuvo una mayor cristalinidad al aumentar la temperatura de la boquilla y la altura de la capa, mientras que se redujo el tiempo de espera antes de la extracción de la pieza y la velocidad de impresión. Dado que PEEK es un polímero semicristalino, es esencial investigar la posibilidad de aumentar la cristalinidad de las piezas de PEEK impresas a través de un tratamiento térmico posterior a la impresión. Como ocurre con otros polímeros, la masa fundida sufrió una historia compleja de deformación y enfriamiento, lo que resultó en una distribución de microestructura heterogénea en el componente, según lo informado por Laschet et al. [12]. Yang et al. [13] mostró cómo diferentes métodos de tratamiento térmico afectaron la cristalinidad de PEEK, que localmente afectó las propiedades mecánicas. La literatura informó sobre enfriamiento al aire, enfriamiento en horno, temple, recocido y revenido. Los resultados del recocido mostraron ser mejores para obtener un mayor grado de cristalinidad. Basgul et al. [14] estudiaron cómo cambió la estructura de los poros de las piezas de PEEK después del recocido sin obtener una disminución en la porosidad no deseada formada durante el proceso de impresión 3D, que se debía a la des adhesión entre capas. Otra investigación mostró que el recocido dio buenos resultados en propiedades mecánicas, tribológicas y viscoelásticas [15]. Regis et al. [16] estudiaron el comportamiento y la cristalinidad de muestras de PEEK moldeadas por inyección sometidas a tratamiento de recocido a 200°C a 300°C. El resultado informó una mayor cristalinidad lograda al aumentar la temperatura de recocido.
Este estudio pretende proporcionar más información sobre la correlación entre el recocido y las propiedades de flexión de muestras de PEEK fabricadas por tecnología FFF. Se llevó a cabo un proceso de recocido directo, realizado durante la impresión, y se comparó con un recocido tradicional en horno con duración similar. Las propiedades de flexión se analizaron en función del tipo de recocido y la temperatura.
2. Material y métodos
El material utilizado fue el PEEK KetaSpire®MS NT1 AM 1,75mm de Solvay SA (Bruselas, Bélgica), un filamento natural capaz de proporcionar un rendimiento a largo plazo de hasta 240°C. Su alta resistencia a la corrosión, productos químicos, calor, ductilidad y estabilidad dimensional lo hacen adecuado para aplicaciones como reemplazo de metal en aeronáutica, automoción y petróleo y gas. La temperatura de fusión declarada por el proveedor es de 343°C [17] y la temperatura de transición vítrea es de aproximadamente 145°C [14]. El carrete se secó durante ocho horas a 150°C en un horno de circulación de aire y se almacenó en bolsas de vacío hasta la impresión. Según la UNI EN ISO 178 [18], las dimensiones de las muestras de flexión fueron de 80×10 mm² y 4 mm de grosor. Las muestras se produjeron con una impresora 3D Creatbot PEEK-300 coreXY con un volumen de construcción de 300×400×300mm³ en una cámara caliente totalmente cerrada.
Fig.1. Sistema de recocido directo.
Estaba equipado con un sistema de extrusor doble. Las temperaturas máximas de las boquillas, la plataforma y la cámara fueron de 500°C, 200°C y 120°C respectivamente. Una de las características principales adicionales de esta máquina fue el Sistema de Recocido Directo (DAS), una tecnología de la empresa para recocer la pieza durante la deposición. El proveedor declaró que la tecnología DAS estaba protegida por patente y solo disponible en máquinas CreatBot. Se utilizó un elemento calentador en forma de corona para mantener el área circundante de la boquilla de deposición en la última capa a una temperatura controlada (Fig. 1). La ventaja del recocido directo fue mejorar la resistencia de unión entre capas, evitando problemas relacionados con la delaminación de capas. Se utilizó una boquilla de acero endurecido de 0,4 mm y una placa de fibra de carbono durante los experimentos.
Se realizaron pruebas preliminares de impresión para evaluar la adhesión a la plataforma de impresión. Un pegamento específico de alta temperatura garantizó la adhesión de la plataforma de impresión a lo largo de 15 líneas de borde. Las pruebas iniciales de impresión se realizaron utilizando parámetros encontrados en la literatura y reportados en la Tabla 1.
Tabla 1. Parámetros de impresión.| Parameter | Value | Unit |
|---|---|---|
Temperaturas | ||
Boquilla | 430 | °C |
Plataforma | 150 | °C |
Cámara | 100 | °C |
Carcasa | ||
Altura de capa | 0.2 | mm |
Ancho de línea | 0.4 | mm |
Número de capas de pared | 3 | - |
Relleno | ||
Densidad de relleno | 100 | % |
Desplazamiento del ángulo de relleno | -45°/+45° | - |
Velocidad | ||
Velocidad de impresión | 20 | mm/s |
Se utilizó un diseño factorial 2² DoE para estudiar la influencia del proceso de recocido directo y compararlo con el clásico realizado en el horno. Se eligió un DoE 2² porque el proceso se encontraba en una fase de exploración. La Tabla 2 informa sobre los factores y niveles relativos seleccionados para el análisis, con tres repeticiones para cada combinación. Los factores investigados fueron el tipo de recocido y la temperatura máxima. Se fabricaron quince especímenes. Seis se trataron posteriormente en el horno, mientras que los otros seis se sometieron a recocido directo. Los tres restantes permanecieron sin tratar.
| Proceso | Recocido Directo (DA) | Recocido en Horno (OA) |
|---|---|---|
Temperatura(°C) | 200 | 300 |
Nivel de Factor
Fig.2. Ciclo de recocido.
El tiempo de impresión de cada espécimen fue de 40 minutos. El tiempo de proceso de recocido directo fue el mismo que el tiempo de impresión porque la corona caliente realizó el tratamiento mientras la boquilla depositaba el filamento fundido. El tiempo de tratamiento en horno fue el mismo que el de recocido directo para hacer comparables los resultados del experimento. La velocidad de calentamiento y enfriamiento utilizada fue de 5°C/min. El ciclo térmico se reporta en la Fig. 2.
2.1. Análisis de Tiempo y Coste
También se realizó un análisis de los factores de tiempo y coste. Los tiempos se resumen en la Tabla 3. El tiempo de impresión t_print fue el mismo para cada muestra y tratamiento. El tiempo de recocido en horno comprendió los tiempos de calentamiento y retención.
Tabla 3. Tabla de tiempos de impresión y recocido.
| Direct Annealing | Oven Annealing | |||
|---|---|---|---|---|
| Time(min) | 200°C | 300°C | 200°C | 300°C |
| ID | DA200 | DA300 | OA200 | OA300 |
| Annealing time (toven) | - | - | 75 | 95 |
Las tarifas por hora se relacionaron con la impresora 3D (Cp), horno (Co,Cco), impresión (Ccp) y recocido directo (Ca, Cda). El precio de compra del material, igual para ambos procesos, se consideró despreciable. Una tarifa por hora de máquina es un costo por hora en términos de gastos de fábrica para operar una máquina en particular. Se obtiene dividiendo los gastos de fábrica asociados con la máquina para un período determinado por el número de horas que la máquina trabajó durante ese período. Por esta razón, las tarifas por hora fueron las siguientes:
Los costos de producción de una pieza con recocido directo C_DA y recocido en horno C_OA fueron:
Las fórmulas (1) y (2) tienen varios elementos en común (Cp, Ccp) que se pueden ignorar para destacar la diferencia de coste entre los dos procesos.
Assumiendo un costo por hora de 0,5 €/h para el equipo de recocido directo, un consumo de energía del sistema de recocido directo de 80 Wh, un costo por hora del horno de tratamiento térmico de 10,0 €/h y un consumo de energía del horno de 2.200 Wh, el tratamiento en horno fue significativamente más caro, con la ecuación (2) mayor que la ecuación (1).
Assumiendo un costo por hora de 0,5 €/h para el equipo de recocido directo, un consumo de energía del sistema de recocido directo de 80 Wh, un costo por hora del horno de tratamiento térmico de 10,0 €/h y un consumo de energía del horno de 2.200 Wh, el tratamiento en horno fue significativamente más caro, con la ecuación (2) mayor que la ecuación (1).
3. Resultados y Discusión
3.1. Pruebas mecánicas
Se realizaron pruebas de flexión de tres puntos para evaluar la influencia de los dos tratamientos de recocido en las propiedades mecánicas del material (Fig.3). Los resultados (Fig.4) señalaron que el efecto del tratamiento térmico fue sustancial, variando la resistencia a la flexión con respecto a las muestras no tratadas. La resistencia a la flexión promedio de las muestras no tratadas (UNT) fue de 124,43 MPa, con una desviación estándar de 6,75 MPa, similar a las reportadas en la literatura [19]. El proceso de recocido a altas temperaturas mejoró las propiedades mecánicas de los termoplásticos, como destacaron Butt y Bhaskar [20], estudiando la influencia del recocido en polímeros comúnmente utilizados. Por esta razón, se esperaba un aumento de las propiedades en PEEK. Las muestras sometidas a tratamiento de recocido en horno a 300°C (OA300) informaron una resistencia a la flexión 16% mayor que UNT, como confirmaron algunos trabajos [14], [15]. Además, el recocido mejoró las propiedades mecánicas a altas temperaturas de calentamiento gracias a una mayor adhesión de unión entre capas [21]. La adhesión de unión entre capas es un factor crucial en las pruebas mecánicas para evaluar las tensiones. Mejorar la adhesión de unión condujo a una reducción de la porosidad del material, acercándose a las propiedades del mismo material procesado por moldeo por inyección [6]. Sin embargo, las muestras OA300 mostraron un comportamiento más frágil, con el 66% de muestras rotas. Todas las demás muestras no alcanzaron la rotura de la muestra al final de la prueba.
Las muestras sometidas al tratamiento de recocido directo a 300°C (DA300) no alcanzaron los mismos valores de Resistencia a la Flexión que OA300. Mostraron un aumento casi del 6% en la resistencia a la flexión con respecto a las muestras no tratadas, obteniendo una Resistencia a la Flexión promedio de 131,77 MPa y una desviación estándar de 3,30 MPa. Por otro lado, las muestras tratadas a 200°C mostraron un deterioro de las propiedades mecánicas.
Fig.3. Muestras de flexión antes y después de las pruebas mecánicas.
Fig.4. Valores porcentuales de resistencia a la flexión de muestras tratadas térmicamente en comparación con muestras no tratadas (0%).
Como resultado, las propiedades empeoraron en un 6,5% para las muestras tratadas en horno a 200°C (promedio 116,2 MPa, desviación estándar 19,41 MPa) y en un 5% para las tratadas directamente a 200°C (promedio 118,3 MPa).
3.2. Análisis estadístico
Se realizó un análisis estadístico. Los factores de entrada (tipo de tratamiento, temperatura de tratamiento) se seleccionaron por su impacto notable en las propiedades mecánicas. Trabajos anteriores [6], [14] han mostrado interés en realizar ciclos de recocido a 200°C y 300°C. Se analizaron datos relacionados con la Resistencia a la Flexión de las 12 muestras sometidas a tratamiento térmico, obtenidos previamente de pruebas mecánicas. En el análisis ANOVA con un intervalo de confianza del 95%, solo la temperatura de tratamiento fue influyente (valor p 0,016). Este comportamiento también fue visible en el gráfico de efectos principales (Fig. 5).
Fig. 5. Gráfico de efectos principales para la resistencia a la flexión.
El gráfico muestra que el tipo de tratamiento tuvo poca influencia en la resistencia a la flexión. Por otro lado, la temperatura de tratamiento resultó ser significativamente influyente, confirmando la tendencia de la literatura previamente analizada [6], [11], [16].
3.3. Análisis SEM
El Microscopio Electrónico de Barrido (SEM) evaluó cambios en la estructura del material causados por el recocido (Fig. 6). El recocido directo y en horno a 300°C mejoró la unión entre capas, lo que confirmó los resultados de las pruebas mecánicas y la revisión de la literatura. Las muestras de flexión analizadas en este documento mostraron un comportamiento similar, destacando la principal criticidad de separación de capas debido a las tensiones introducidas por la prueba de flexión. Hubo áreas de discontinuidad entre capas en las muestras con menor resistencia a la flexión, evidenciadas por delaminaciones y vacíos. Fig. 6-a muestra la muestra UNT como referencia antes de la prueba mecánica. El proceso de impresión causó una baja adhesión entre las capas. Fig. 6 mostró imágenes de secciones transversales de muestras tratadas directamente y en horno, analizadas después de las pruebas mecánicas. DA200 fue muy similar a UNT, destacando cómo el tratamiento puede no haber tenido efecto y, como en el caso examinado, condujo a valores más bajos de resistencia a la flexión. Fig. 6-c mostró el mismo comportamiento que Fig. 6-b. Los huecos entre capas, incentivados por la flexión, son la causa principal del deterioro de las propiedades de flexión.
Fig.6. Imágenes SEM de secciones transversales de muestras: (a) orientación de impresión (xy) con sección transversal resaltada (zy); (b) UNT; (c) DA200; (d) OA200; (e) DA300; (f) OA300.
Por el contrario, las muestras tratadas a 300°C fueron más compactas. Este comportamiento confirmó lo obtenido en las pruebas mecánicas, logrando propiedades de flexión más mejoradas. Las muestras tenían menos huecos entre las capas. DA300 tuvo algunos huecos, que afectaron los valores obtenidos en las pruebas. OA300 fue el más compacto, y sus resultados fueron los mejores en términos de resistencia a la flexión pero mostró menor deformación antes de romperse. Los huecos en DA200 y OA200 fueron más amplios y profundos que los de DA300 y OA300.
4. Conclusiones
Este documento trata sobre la caracterización mecánica de PEEK sometido a un proceso de recocido directo. Se hizo una comparación entre este recocido y el recocido en horno. Los datos analizados en función del tipo de tratamiento, directo o en horno, no afectaron significativamente la resistencia a la flexión, mientras que la temperatura fue influyente. Los análisis han mostrado que el tratamiento más adecuado es el de 300°C. Las propiedades mecánicas de resistencia a la flexión ganaron un aumento del 16% y 6%, respectivamente, para el recocido en horno y el recocido directo. El tratamiento en horno a 300°C aumentó el rendimiento mecánico en un 10%. Aun así, requirió un tiempo total de producción (impresión más tiempo de recocido en horno) de 3,5 veces en comparación con el tiempo total de producción con recocido directo. El recocido directo (DA300) fue evidente considerando el tiempo de producción, reducido solo al tiempo de impresión, y, en consecuencia, los costos. En general, la activación del sistema de recocido directo dio beneficios al proceso de impresión de PEEK. El recocido directo realizado a 300°C permitió obtener una mejor calidad de impresión, una adhesión de unión mejorada y una resistencia a la flexión mejorada, con un aumento de costo despreciable, debido al diferente consumo eléctrico, con respecto a las piezas no tratadas.
Agradecimientos
Este trabajo fue apoyado por el Ministerio Italiano de Educación, Universidad e Investigación bajo el Programa "Departamento de Excelencia" Legge 232/2016 Grant No. CUP - D94I18000260001. La investigación fue parte del proyecto de investigación PON SIADD – "Soluciones innovadoras para la calidad y sostenibilidad de los procesos de fabricación aditiva" CUP B36G18001430005, financiado por el Programa Operativo Nacional PON - Investigación e Innovación 2014-2020.
