Metodología para la optimización de parámetros geométricos en el proceso de fabricación aditiva basada en extrusión

Abstract

Las tecnologías de fabricación aditiva son cada vez más relevantes en los sectores de ingeniería y fabricación. Su uso se ha extendido en el desarrollo de nuevos productos, abarcando desde prototipos hasta piezas funcionales y herramientas. Las ventajas de la fabricación aditiva están asociadas con su capacidad para fabricar piezas complejas desde el punto de vista geométrico con un menor esfuerzo, en comparación con los métodos tradicionales. Además, estas piezas son altamente personalizables y rentables para producciones de bajo volumen. Una de las tecnologías de fabricación aditiva que ha ganado relevancia en los últimos años es la fabricación por extrusión de material. En este proceso, se utiliza un material termoplástico en forma de filamento que se alimenta a través de una boquilla calentada. El material se funde y deposita capa por capa sobre una plataforma de construcción, siguiendo las instrucciones de un software de laminado específico, que se almacenan en un archivo de código G. Este software divide el modelo 3D en secciones transversales y genera los movimientos necesarios para que la boquilla deposite el material de manera precisa y controlada. De esta manera, la fabricación por extrusión de material permite la fabricación de piezas con geometrías complejas y una amplia gama de materiales termoplásticos. Aunque la fabricación por extrusión de material es altamente versátil, presenta ciertas limitaciones en cuanto a la capacidad de predecir el comportamiento mecánico de las piezas fabricadas. La diferencia entre la pieza impresa en 3D y su modelo original radica en la mesoestructura, resistencia y propiedades del material, ya que la pieza impresa tiene una estructura interna formada por filamentos depositados. En la actualidad, no existen métodos ampliamente establecidos para modelar este tipo de piezas, lo que lleva a recurrir a modelos simplificados geométricamente y al análisis mediante el análisis de elementos finitos. Sin embargo, esta simplificación conduce a resultados que no se asemejan adecuadamente al comportamiento real de las piezas impresas. Por lo tanto, en esta tesis se ha propuesto desarrollar metodologías que permitan simular y analizar de manera más precisa las piezas fabricadas mediante esta tecnología, modelándolas a medida que se construyen capa por capa. Además, los modelos y resultados obtenidos se han utilizado para optimizar los parámetros geométricos de impresión (porcentaje de relleno, altura de capa, patrón de relleno, etc.), para lograr las propiedades deseadas en términos de comportamiento mecánico, peso, tiempo de fabricación, etc. Para conseguir el fin descrito, se ha creado una nueva metodología para el modelado de piezas impresas en 3D, basada en la geometría (operaciones de barrido que emulan la deposición de filamentos durante la impresión 3D, todo ello a partir del código G). Además, se ha comparado con otras técnicas de modelado desarrolladas por otros investigadores, con el fin de establecer la mejor metodología de modelado para cada aplicación y definir los pasos para obtener los resultados derivados del análisis de elementos finitos. Por otro lado, se ha diseñado una metodología de optimización, basada en el diseño de experimentos factorial y la aplicación del algoritmos genéticos y metamodelos Kriging. Por último, se han validado las metodologías aplicándolas a dos casos prácticos. Por un lado, una geometría simple, una probeta de tamaño reducido sometida a flexión. Y, por otro, una geometría compleja, una estructura porosa con aplicación en la ingeniería tisular, para la regeneración de tejido óseo trabecular.