Análisis experimental y modelización de un nuevo sistema de fabricación de piezas graduales funcionales mediante fabricación aditiva

Abstract

El desarrollo de nuevos materiales y técnicas de fabricación son parte del desarrollo del propio ser humano. En las últimas décadas, el estandarte de la innovación en estas materias son la fabricación aditiva y los materiales funcionales graduales; visionándose su combinación como el futuro a seguir en multitud de campos. El gran problema de este desarrollo conjunto es la necesidad de nuevos sistemas de fabricación aditiva que permitan, no solo la fabricación de piezas con materiales funcionales graduales, sino que estas piezas sean de gradiente continuo y controlado. En base a esta necesidad, en esta tesis se propone un nuevo principio de funcionamiento para un sistema de mezcla de material particulado que, estando integrado a una máquina de fabricación aditiva por extrusión, permita la fabricación de piezas funcionales graduales de tipo continuo. Este sistema de mezclas se basa en el uso de ciclones separadores solido-gas e inyectores Venturi de polvo; pero ha sido necesario, tanto en entornos virtuales como experimentales; el estudio del desempeño de estos componentes dentro del circuito propuesto. Con el fin de entender y poder aplicar correctamente el principio de funcionamiento del sistema de mezclas propuesto, se han completado los siguientes objetivos específicos: • Se ha creado un protocolo universal de calibración de materiales en polvo para la digitalización de las partículas a utilizar dentro de nuestras simulaciones. • Se diseñado un protocolo de optimización rápida para inyectores Venturi encargados de proyectar material particulado dentro del sistema y se ha constatado su capacidad de control del flujo másico de polvo en función del flujo que cruza en inyector. • Se ha estudiado el comportamiento de la succión del ciclón frente a la inyección de material particulado, controlada mediante válvulas autmáticas. Finalmente, y como aplicación de lo anterior, se ha desarrollado un prototipo capaz de mezclar dos materiales en polvo en grandes cantidades con una homogeneidad adecuada, siendo este sistema totalmente adaptable a diferentes materiales y escalas. Para comprobar su integración a una máquina de fabricación aditiva, se ha desarrollado un segundo prototipo con el ciclón integrado en un cabezal de extrusión por tornillo, que nos permite ir variando in situ y de forma automática las proporciones de los materiales a mezclar. Para el correcto funcionamiento de esta integración se ha creado una aplicación que nos permite, a partir del Gcode original de la pieza a fabricar, crear dos archivos (Gcode modificado y Mcode) que permiten trabajar en conjunto a la máquina de mezclas integrada y a la máquina de fabricación aditiva correspondiente. Con estos dos prototipos se ha constatado la idoneidad del principio de funcionamiento del sistema de mezclas, así como la capacidad de fabricación de piezas con materiales funcionales graduales continuos.