Introducción
Las tecnologías de fabricación aditiva, en particular la impresión 3D con filamentos, se han desarrollado considerablemente en los últimos años y se utilizan cada vez más en ámbitos como la creación de prototipos, el diseño, la arquitectura, la artesanía y los componentes funcionales para interiores y exteriores. De especial interés son los llamados "filamentos rellenos", en los que al material base -a menudo ácido poliláctico (PLA)- se añaden cargas funcionales como fibras de madera o polvo metálico (por ejemplo, acero inoxidable). Estas combinaciones de materiales abren nuevas posibilidades en cuanto al aspecto, la textura y la funcionalidad de los objetos impresos.
Los filamentos de PLA rellenos de madera confieren a los componentes una superficie natural y suelen utilizarse en el diseño de muebles, la fabricación de maquetas o el desarrollo de productos sostenibles. Las variantes de PLA rellenas de metal, por su parte, permiten crear objetos con mayor peso, mayor estabilidad o una estética específica, por ejemplo, elementos decorativos o prototipos funcionales con mayor resistencia a la temperatura. La Asociación Alemana de Investigación de Herramientas y Materiales (FGW) utiliza estos materiales, por ejemplo, en la construcción de demostradores y prototipos para el desarrollo de herramientas con el fin de crear soluciones de aplicación más sostenibles.
La figura 1 muestra ejemplos de aplicaciones de filamentos de PLA rellenos de madera y metal en el contexto de la construcción de demostradores y prototipos. A la izquierda se muestran mangos de cuchillos y herramientas fabricados con filamentos rellenos de madera, que ofrecen un tacto agradable, así como una superficie natural y estéticamente agradable. La segunda imagen muestra un demostrador funcional de alicates de engarce basados en mecanismos flexibles, un ejemplo de la aplicación de mecánicas de movimiento complejas mediante la fabricación aditiva con materiales sostenibles. A la derecha se ve un tornillo con una tuerca a juego fabricado con filamento relleno de bronce, que sirve como prototipo ilustrativo para aplicaciones similares al metal gracias a su mayor peso y aspecto metálico.
Una ventaja clave de los filamentos basados en PLA es su biodegradabilidad y su producción comparativamente respetuosa con el medio ambiente a partir de materias primas renovables como el almidón de maíz o la caña de azúcar.
El relleno selectivo con materiales orgánicos o inorgánicos permite el desarrollo de compuestos de PLA que no sólo son más sostenibles, sino que también igualan -o incluso superan- las propiedades mecánicas y la resistencia a la intemperie de los filamentos convencionales (no biodegradables) como ABS o PETG, todo ello manteniendo unos costes de producción comparables o incluso inferiores.
Para evaluar la idoneidad de los filamentos de PLA rellenos para aplicaciones exigentes, no basta con una caracterización puramente mecánica. Especialmente cuando se desarrollan materiales sostenibles, es crucial comprender con precisión su resistencia térmica y su comportamiento de Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición térmica. Aquí es donde el análisis termogravimétrico (TGA) proporciona información valiosa.
Al registrar con precisión las pérdidas de masa en función de la temperatura, se pueden extraer conclusiones sobre la estabilidad del soporte polimérico, la presencia y cantidad de cargas, y el inicio y progresión de los procesos de degradación térmica. En combinación con el análisis de gases evolucionados -por ejemplo, mediante FT-IR- también pueden identificarse los productos de Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición resultantes.
En este estudio, se compararon dos filamentos a base de PLA rellenos de madera y acero inoxidable disponibles en el mercado. Los parámetros de medición se detallan en la tabla 1.
Tabla 1: Condiciones de medición
| Instrumento | TG 309 Libra®, acoplado al Bruker Optics FT-IR INVENIO mediante célula de gas externa |
|---|---|
| Programa de temperatura | RT-850°C, atmósfera de N2 850°C-1000°C, atmósfera de aire |
| Velocidad de calentamiento | 10 K/min |
| Masa de la muestra | 15 a 20 mg |
| Crisol | Al2O3, 85 μl, abierto |
Resultados y debate
Al principio, se registraron los espectros ATR FT-IR de los dos materiales de partida (figura 2). Ambos filamentos de PLA rellenos mostraron muy buena concordancia con el espectro de PLA existente en la base de datos. Sin embargo, todavía no se puede identificar aquí la influencia del material de relleno existente.
La figura 3 muestra una comparación de los resultados del TGA para los dos filamentos rellenos. Ambos filamentos se calentaron en atmósfera inerte hasta 850°C a 10 K/min. El filamento relleno de madera ya mostraba una pérdida de masa de small del 1,02% por debajo de 200°C, lo que presumiblemente se debe a la liberación de humedad del contenido de madera. La PirólisisLa pirólisis es la descomposición térmica de compuestos orgánicos en una atmósfera inerte.pirólisis se inició en ambas muestras por encima de los 250°C. En este caso, se detectó una pérdida de masa del 39,73% en el filamento relleno de acero inoxidable.
En el caso del filamento relleno de madera, la PirólisisLa pirólisis es la descomposición térmica de compuestos orgánicos en una atmósfera inerte.pirólisis del componente polimérico se superpuso a la PirólisisLa pirólisis es la descomposición térmica de compuestos orgánicos en una atmósfera inerte.pirólisis del componente de madera. Esto condujo a una pérdida de masa total del 90,59%. Por último, por encima de 850°C, se utilizó aire sintético como gas de purga. La muestra que contenía madera mostró la combustión del hollín resultante de la PirólisisLa pirólisis es la descomposición térmica de compuestos orgánicos en una atmósfera inerte.pirólisis. Por el contrario, la muestra rellena de acero inoxidable mostró un ligero aumento de masa, que puede atribuirse a la OxidaciónLa oxidación puede describir diferentes procesos en el contexto del análisis térmico.oxidación del contenido metálico. Las masas residuales de las dos muestras se denominan contenido en cenizas y ascendieron al 1,70% (PLA+madera) y al 62,15% (PLA+acero inoxidable).
Los intervalos de fusión de las muestras pueden extraerse de la señal c-DTA (DTA calculado). Éstos se situaban en torno a los 150°C. El intervalo de temperaturas por encima de la Temperaturas y entalpías de fusiónLa entalpía de fusión de una sustancia, también conocida como calor latente, es una medida del aporte de energía, normalmente calor, que es necesario para convertir una sustancia del estado sólido al líquido. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que cambia de estado sólido (cristalino) a líquido (fusión isotrópica).temperatura de fusión y por debajo del inicio de la Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición puede utilizarse como temperatura de procesamiento para la impresión 3D. Sin embargo, una temperatura de impresión demasiado alta puede provocar que la degradación del polímero comience ya durante el proceso de impresión.
Para analizar los gases desprendidos, se transfirieron a la célula de medición de gas externa del Bruker FT-IR INVENIO utilizando una línea de transferencia calentada. Los espectros obtenidos se muestran en la figura 4. La PirólisisLa pirólisis es la descomposición térmica de compuestos orgánicos en una atmósfera inerte.pirólisis del polímero muestra las mismas características para ambas muestras (espectro azul y rojo), aunque no se puedan identificar componentes individuales. La banda IR a 1790 cm-1 indica la liberación de una función carbonilo, que se produce típicamente en los productos de degradación del PLA. Presumiblemente, se liberan muchas sustancias simultáneamente.
El espectro verde de la figura 4 muestra la PirólisisLa pirólisis es la descomposición térmica de compuestos orgánicos en una atmósfera inerte.pirólisis de los componentes de la madera. Además de las funciones carbonílicas, se hacen visibles otros picos y hombros. Por ejemplo, se detectaron funcionalidades CH yCO2, que son típicas de la degradación térmica de las muestras de biomasa. De ello se deduce que el relleno de madera se descompone a temperaturas más altas, mientras que sólo la base de PLA se descompone a temperaturas más bajas.
Conclusión
El TGA-FT-IR puede utilizarse para obtener información exhaustiva sobre la Estabilidad térmicaUn material es térmicamente estable si no se descompone bajo la influencia de la temperatura. Una forma de determinar la estabilidad térmica de una sustancia es utilizar un TGA (analizador termogravimétrico). estabilidad térmica y la composición de los filamentos de PLA rellenos. El análisis muestra el intervalo de fusión de la matriz de PLA y el inicio de la Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición térmica. Estos datos pueden utilizarse para Identify una ventana de procesamiento segura. Los rellenos orgánicos, como la madera, producen compuestos volátiles y hollín de PirólisisLa pirólisis es la descomposición térmica de compuestos orgánicos en una atmósfera inerte.pirólisis durante la PirólisisLa pirólisis es la descomposición térmica de compuestos orgánicos en una atmósfera inerte.pirólisis, mientras que los rellenos metálicos dejan un residuo de ceniza claro que puede utilizarse para determinar el contenido de relleno.
El análisis de gases FT-IR acoplado permite identificar los productos de Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición liberados. Esto permite evaluar con precisión la composición del material e identificar claramente el material, incluido el tipo de relleno.