Predicción de las propiedades mecánicas de estructuras fabricadas por impresión 3D mediante métodos computacionales y caracterización experimental

Abstract

La impresión 3D (técnicamente conocida como Modelamiento por Deposición Fundida o FDM) es un proceso de manufactura aditiva con el cual un objeto en 3D es fabricado mediante la superposición de capas sucesivas de un determinado material ya sea plástico, cerámico o metal. Los materiales comúnmente usados para la fabricación de piezas mediante impresión 3D son polímeros con composiciones diversas entre ellos: PLA, ABS, CarbonX, etc. Su uso y aplicación es mayormente para la fabricación de prototipos de piezas con geometrías complejas que requieren una evaluación dimensional y/o ergonómica para luego ser producidos a escala industrial; o en su defecto, como repuesto de algunas piezas de dimensiones pequeñas que no estén sometidas a esfuerzos críticos. La elevada incertidumbre en las propiedades mecánicas de las piezas fabricadas por impresión 3D ocasiona que este proceso de manufactura no sea usado a nivel de fabricación de productos terminados. Para acelerar la implementación de la impresión 3D a nivel industrial y ampliar su alcance, es necesario desarrollar nuevos métodos de simulación computacional o potenciar los ya existentes con el uso de data experimental. Por lo expuesto, el presente trabajo de investigación “Predicción de las propiedades mecánicas de estructuras fabricadas por impresión 3D mediante métodos computacionales y caracterización experimental” se suma a los esfuerzos de la comunidad científica para llevar la impresión 3D al siguiente nivel teniendo como objetivo principal desarrollar herramientas computacionales-experimentales capaces de predecir el comportamiento de piezas fabricadas por este proceso. En el primer capítulo, se presenta la introducción del proyecto de tesis iniciando con la descripción del problema de investigación, continuando con la definición de los objetivos tanto generales como específicos, y finalizando con los antecedentes referenciales o estado del arte, sección en la cual se muestran los trabajos realizados por la comunidad científica hasta la fecha respecto a métodos computacionales-experimentales para la predicción de propiedades mecánicas de piezas fabricadas por impresión 3D. En el segundo capítulo, se muestra primero el marco teórico, en el cual se detalla la base matemática y física de los métodos computacionales planteados. Entre la base teórica más relevante se encuentran: el análisis por elementos finitos, la Formulación Unificada de Carrera (CUF por sus siglas en inglés) y la teoría de vigas. A continuación, se muestra el marco conceptual en el cual se sustenta el uso de la base teórica en los métodos computacionales planteados haciendo hincapié en la obtención de los elementos representativos de volumen (RVE) adecuados para el caso del método VOLCO; y en el uso de data experimental en combinación con el modelo simplificado usando CUF para el caso del método basado en datos (Data-driven). En el tercer capítulo, se presenta la hipótesis general y operacionalización de variables considerando el modelo predictivo de la estructura impresa en 3D como variable principal en el método VOLCO, y las propiedades mecánicas del material impreso en 3D en la metodología Data-driven. En el cuarto capítulo, se describe la metodología de investigación comenzando por el tipo y diseño de la investigación, continuando con las unidades de análisis por cada método propuesto, y finalizando, con la definición de las etapas de investigación claramente diferenciadas para el método VOLCO y el método Data-driven. En el quinto capítulo, se desarrolla la tesis con un enfoque en el proceso de implementación de ambas herramientas computacionales. Aquí se detallan los datos de entrada de los códigos de programación y el proceso de obtención de resultados pasando por el pre-procesamiento (planteamiento de las ecuaciones en base a la teoría), procesamiento (solución de las ecuaciones usando métodos numéricos) y post- procesamiento (visualización de resultados). Además, se describe el proceso de caracterización experimental para las probetas fabricadas por impresión 3D; y posteriormente, se muestran los resultados obtenidos para cada dirección y plano de impresión correspondiente. Seguidamente, en el sexto capítulo se realiza un análisis y discusión de resultados en base a la comparación de los valores obtenidos en los métodos computacionales, la caracterización experimental y los artículos científicos disponibles. Por último, se mencionan las conclusiones y recomendaciones por cada método desarrollado en el presente trabajo, así como, las referencias bibliográficas y los anexos.