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8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICACusco, 23 al 25 de Octubre de 2007
PROTOTIPADO RÁPIDO POR EXTRUSIÓN DE UNA PASTA CERÁMICA EN UN PROCESO SIMILAR AL USADO EN PROTOTIPADO POR FDM
Guevara Romero E. A*, Fajardo J., Matinez C., Sanabria D., Vidal H.
*Estudiante de Química, Universidad Nacional de Colombia Sede Bogotá, ºEstudiante Ing. Mecánica, Univerisdad Nacional de Colombia
*e-mail: [email protected]
RESUMEN
Se describen los fundamentos teóricos necesarios para la elaboración de una pasta cerámica con las propiedades reológicas necesarias en un proceso de extrusión y con fines en el diseño por prototipado rápido, De acuerdo a esto se desarrolla una pasta y se caracteriza por medio de difracción de rayos X y Fluorescencia de rayos X; se hacen pruebas de extrusión escogiéndose el sistema de mejor comportamiento. Además se abordan los fundamentos técnicos en el diseño de una extrusora con el fin de caracterizar la pasta cerámica desarrollada y los avances en la elaboración de la automatización e instrumentación de la maquina para la extrusión de la pasta cerámica.
PALABRAS CLAVE: Prototipado rápido, reología, extrusión y automatización.
Código Asignado: 1500.
INTRODUCCIÓN
Breve reseña del prototipado rápido
El prototipado rápido surge en 1987 con el desarrollo de la tecnología conocida como estereolitografía lanzada por la empresa norteamericana 3D System, en aras de agilizar los procesos de manufactura existentes; es evidente que la manufactura asistida por computador fue un giro en los diseños de producción de prototipos dado que permiten la innovación de nuevas geometrías en los diseños y el estudio de los mismos en distintas situaciones de una forma más practica rápida y útil.En si, el prototipado rápido (RP) conocido también como manufactura por capas (LM, layered manufacturing) o fabricación de sólidos en forma libre (SFF, solid free form fabrication) es un conjunto de tecnologías que permiten obtener prototipos a partir de un archivo CAD, se basa en un proceso de manufactura aditivo, es decir, que a diferencia de las técnicas de manufactura tradicionales el prototipo a hacer se realiza por adición de piezas del material en vez del arranque de viruta del mismo. En el prototipado rápido se parte de un diseño del modelo o prototipo en computador, éste con la ayuda de un software especial es cortado en capas de unos pocos milímetros de grosor y luego por algunos de los múltiples métodos existentes actualmente, el prototipo se genera por adición consecutiva de dichas capas.
Actualmente los grupos de investigación de MATERIALES CERÁMICOS E INTERCONECTA de la Universidad Nacional de Colombia, trabajan en conjunto en el desarrollo de una nueva técnica de prototipado rápido en el cual los prototipos son creados por deposición de una pasta cerámica de un silicato a temperatura ambiente en un proceso similar al utilizado en el prototipado rápido de moldeado por deposición fundida (FDM) que se ejemplifica en la figura N° 1
Figura N°1. Figura N°1. Esquema maquina FDM. (1)
Esta técnica, desarrollada por Scott Crump en 1988 consiste en una boquilla extrusora que crea capas bidimensionales en un plano X-Y por deposición de un material termoplástico (con frecuencia ABS, acrilonitrilo-butadieno-estireno) calentándolo aproximadamente 1°C por encima de su punto de fusión, creando capas (alrededor de 0.1mm de espesor) y adicionándolas sucesivamente hasta completar el modelo con las dimensiones y la geometría contenida en el archivo CAD (2).Quizás las dos principales desventajas de este tipo de RP sean la baja resistencia en la dirección vertical de los prototipos y la restricción de éstos en el trabajo a altas temperaturas.
El objetivo principal es diseñar una pasta cerámica con las propiedades reológicas adecuadas para utilizarce como materia prima en una maquina de RP y desarrollar en conjunto una maquina de prototipado rápido que deposite por extrusión dicha pasta cerámica creando el prototipo de forma similar al proceso FDM superando los inconvenientes presentes en éste proceso y además conservando las cualidades del mismo como lo son su rapidez, precisión y fácil manejo.
¿Porque trabajar con cerámicas?
La palabra cerámica viene del vocablo griego keramos cuya raíz significa quemar y hace referencia a los materiales que por acción del calor se endurecen formando sólidos cristalinos con propiedades características; son materiales que presentan fuertes enlaces atómicos de carácter iónico y covalente que les confieren dureza, rigidez, fragilidad y puntos de fusión altos, permitiendo una elevada resistencia a la compresión y el trabajo a altas temperaturas, siendo este ultimo comportamiento lo que los cataloga como materiales refractarios (3). Otra importante característica de los materiales cerámicos antes de quemarlos es el comportamiento plástico (es decir, que se deforman permanentemente ante un esfuerzo de corte aplicado) que generan cuando son mezclados con un medio líquido, lo cual permite crear diferentes geometrías que servirán después de su quemado como moldes o modelos sólidos. Usualmente a esta mezcla de sólido en agua suficiente para hacerla adquirir una apariencia suave y plástica se denomina pasta y al estudio de los fenómenos de flujo de los materiales Reología.
El comportamiento reológico de las pastas está determinado principalmente por dos cosas: el medio líquido en el cual esta disperso el sólido y las características estructurales de las partículas dispersas (tamaño y forma principalmente). La mayoría de las mezclas cerámicas tradicionales (mezclas de arcillas y agua) muestran un comportamiento tipo plástico debido a la presencia de partículas con morfología laminar que son capaces de deslizarse unas sobre otras debido a que el agua retenida en espacios intersticiales actúa como lubricante. Sin embargo las propiedades de flujo de las mezclas de sólidos en un medio líquido dependen en su mayoría de las interacciones que puedan tener lugar entre las partículas dispersas las cuales son esencialmente de naturaleza eléctrica y constituyen la principal fuerza de estabilización de dispersiones coloidales, por lo que el medio liquido (constante dieléctrica), aditivos (tensoáctivos) y las impurezas iónicas de la dispersión influencian fuertemente el comportamiento final de la pasta cerámica.
EN EL LABORATORIO
En la elaboración de la pasta cerámica, para el proceso de prototipado rápido, se escogió un silicato de magnesio que sinteriza alrededor de los 900°C, económico y de fácil adsequibilidad.
Con el fin de mejorar la dispersión en un medio líquido y mejorar la estabilidad de dicha dispersión, se redujo el tamaño de partícula en un molino de bolas hasta malla –325 (es decir, un tamaño de partícula menor a 44m), se retiraron impurezas iónicas con sucesivos lavados de agua desmineralizada hasta conductividad eléctrica constante (~20S), además, se adicionó a las pastas formuladas un dispersante (PAS, poliacrilato de amonio). El material comercial fue caracterizado por difracción de rayos X, en un difractómetro tipo PW710 BASED y por fluorescencia de rayos X, en un espectrómetro MagixPro PW – 2440 Philips, encontrándose que dentro de las principales impurezas del material estaban: CaO, Fe2O3, S, Al2O3, Cl y P2O5.
Tabla N° 1. Resultados de los elementos y compuestos encontrados por fluorescencia de rayos X.
CompuestoPasta cerámicaConcentración (%)
MgSiO3 97.842CaO 1.402Fe2O3 0.440S 0.093Al2O3 0.083Cl 0.061P2O5 0.059MnO 0.017MgO 0.003SiO2 --
-- Por debajo del limite de detección (200ppm)
Se realizaron pruebas de extrusión con jeringas hipodérmicas con volúmenes de 10 y 60mL respectivamente, se observó el comportamiento de la pasta cerámica con distintos medios de dispersión y distintas fracciones sólidas en función del proceso de extrusión.
Tabla N° 2. Composición de las diferentes pastas cerámicas.
Sistema Relación sólido liquido Tiempo de estabilidad (horas)
Silicato-agua 75:25 4Silicato (sin contaminantes
iónicos)- agua75:25 72
Silicato (sin contaminantes ionicos)- isopropanol-
Glicerina
75:25 72
Figura N°2. Fotos de las pruebas de extrusión. Pasta que mostró un mejor comportamiento; extruída por boquillas con diferentes diámetros (0.5cm y 0.3mm, respectivamente)
La pasta cerámica elaborada, después de la extrusión conserva su forma debido a que el isopropanol se evapora rápidamente a temperatura ambiente haciendo que la mezcla extruida aumente su fracción sólida y conserve su forma gracias a la cohesión que brinda la glicerina. El tiempo de estabilidad ante los procesos de floculación y sedimentación esta fuertemente influenciado por la viscosidad y la constante dieléctrica de la fase liquida, además se observó un aumento de estabilidad al adicionar a la mezcla PAS (poliacrilato de sodio).
DISEÑO DE LA MAQUINA PARA LA EXTRUSIÓN DE LA PASTA CERÁMICA
El Proceso y el dispositivo
La manera en la que se preparan la mayoría de los productos cerámicos es la misma, el cambio de algunas variables o métodos más específicos es lo que diferencia un producto de otro. De esta forma es necesario estandarizar un proceso para poder comparar de manera ideal el comportamiento de diferentes composiciones y diferentes situaciones en la formación de la pasta y luego del producto. Inicialmente la necesidad era desarrollar un equipo que permitiera extruir muestras de pasta cerámica de una composición definida y controlar un número de variables que permitieran analizar la forma en que ocurría el flujo de material durante el proceso, al igual que la energía necesaria para desarrollarlo. Pensando en este fin se decidió que el proceso de extrusión permitiera desarrollar el experimento de manera controlada y repetible lo que planteó un nuevo horizonte, la capacidad de analizar un número de pastas cerámicas de diferentes composiciones que se sometieran a diferentes condiciones. El proceso de extrusión se estandarizó de la siguiente forma:
1. Molido y tamizado: preparación del material sólido.2. Homogenización: agrega fase liquida y se forma la masa por la aplicación de energía.3. Extracción de gases: se eliminan el aire y otros gases que puedan variar el comportamiento de la pasta a presión,
o permitir la formación de vacíos y poros en el producto terminado.4. Aplicación de energía: en esta fase se aplica energía en forma de presión para obligar a la pasta a salir del
dispositivo formando un chorro o hilo de extrusión.
El alcance inicial del dispositivo lo llevaba a ser un equipo de laboratorio de baja capacidad que permitiera a una pasta preparada y homogenizada a mano proporcionarle energía y formar un chorro de extrusión. Se notó la
importancia de este dispositivo y el alcance que puede llegar a tener para el estudio de cualquier tipo de pasta cerámica, así, se decidió desarrollar el dispositivo en dos etapas:
Etapa 1: Dispositivo de extrusión por pistón, almacena pasta preparada a mano y permite una interfase entre el dispositivo y el operario para controlar la velocidad y censar variables (posición, presión y temperatura)Etapa 2: Dispositivo alimentado por un tornillo. El dispositivo prepara y homogeniza la pasta, controla variables en el proceso (temperatura, velocidad, porcentaje humedad, presión).
De esta forma se ha llevado a cabo el proceso de diseño y llegándose al supuesto de la forma, que es muy similar a este dispositivo que se utiliza para la extrusión de plásticos.
Figura N°3. Dispositivo extrusor de plásticos de Cammon Tec soluciones
La aplicación de los cálculos estáticos y de resistencia de materiales comunes no son suficientes para poder determinar el comportamiento de las partes sometidas a cargas puntuales o distribuidas por lo que el siguiente paso a seguir es el análisis por fatiga donde se someten las partes a cargas fluctuantes en el tiempo y la evaluación de los componentes para poder dimensionar. De aquí nace la necesidad de aplicar un modelo matemático más complejo que permita visualizar el comportamiento de la geometría de cualquier pieza sometida a este tipo de cargas, permitiendo dar una visión más real del comportamiento en funcionamiento de las partes que componen el dispositivo.
En algunos casos el diseñador tiende a realizar este tipo de análisis en puntos específicos de las piezas obviando el comportamiento en puntos que a su parecer no son significativos es por esta razón que el modelamiento de los dispositivos con ayuda de un software de elementos finitos permita una visión más amplia y aproximada del comportamiento de las geometrías a los diferentes esfuerzos, de esta manera se puede modificar la geometría y observar el comportamiento de los diferentes concentradores de esfuerzos. Para nuestro caso se utiliza el NASTRA, herramienta que acompaña el software de modelamiento en 3D SolidEdge V18, como apoyo para iniciar el proceso de diseño. El resultado de este proceso se puede observar para una parte específica del dispositivo de extrusión como es el caso del cañón, donde la geometría varía de acuerdo a parámetros y especificaciones técnicas del dispositivo permitiendo garantizar un valor para el factor de seguridad a las condiciones dadas.
Figura N°4. Análisis de elementos finitos.
Las imágenes ilustran cuatro geometrías diferentes sometidas a las mismas condiciones de esfuerzo donde con ayuda a la barra de colores se puede visualizar que el esfuerzo máximo en los puntos críticos a que es sometida la geometría varía de 2040Mpa de la geometría inicial a 746Mpa en la geometría final, el software permite visualizar el comportamiento de la deformación y el factor de seguridad. Permitiendo concluir que la geometría numero cuatro tiene un mejor comportamiento a las condiciones de uso del dispositivo de extrusión. Este procedimiento se realiza con cada una de las partes para determinar la geometría del dispositivo final antes de pasar a la etapa de construcción.
AUTOMATIZACIÓN E INSTRUMENTACIÓN DE MAQUINA DE EXTRUSIÓN DE PASTA CERÁMICA
El objetivo de esta parte del proyecto es automatizar e instrumentar la maquina de extrusión de pasta cerámica, haciendo sencillo el manejo y visualización de variables que intervienen en el proceso.
Para lograr el objetivo mencionado, se desarrollara y diseñara un software de visualización y manipulación, una interfaz electrónica capaz de manipular la maquina y un sistema motriz para el tornillo acoplado al vástago de la maquina. A continuación se muestra un diagrama que permite visualizar esta idea con claridad:
Figura N°5. Diagrama sistema para automatizar maquina.
La señal de control manipulara el motor – reductor que mueve el tornillo de potencia y la señal de los sensores después de ser acondicionada y digitalizada será enviada al computador para su posterior procesamiento y visualización. La señal del sensor de posición del vástago permitirá generar la señal de control del motor.
El proceso de extrusión de la pasta cerámica posee una serie de variables físicas que son de interés medir, a continuación estas variables son listadas:
1. Temperatura.2. Presión.3. Velocidad de vástago -Velocidad de extrusión.4. Posición del vástago – Volumen extraído.
Las variables velocidad de extrusión y velocidad de vástago son proporcionales ya que se relacionan por una relación de diámetros constante, por ello se pueden medir con un mismo instrumento (sensor). Con las variables posición del vástago y volumen extruído también ocurre lo mismo debido a la relación de diámetros constante y a la no variación del área de la boquilla de extrusión.
Para obtener una extrusión óptima se debe tener control sobre algunas variables que intervienen en el proceso, el sistema diseñado tendrá control sobre:
1. Velocidad de vástago -Velocidad de extrusión.2. Posición del vástago – Volumen extruído.3. Temperatura
El valor de estas variables se define desde el software y este se encarga mediante la interfaz electrónica de hacer posible que estas tengan el valor definido.
SOFTWARE DE CONTROL Y VISUALIZACION:
El desarrollo del software se hará bajo el lenguaje de programación Java (J2SE) debido a su flexibilidad, versatilidad, no uso de licencias y teniendo en cuanta que el sistema no requiere control sobre tiempos menores a 1 milisegundo. El desarrollo del software utiliza un enfoque de orientación por objetos que proporciona una programación estructurada y eficiente. Java es un lenguaje de programación orientado por objetos por ello el enfoque planteado es el adecuado. El software desarrollado opera en plataformas Linux y Windows lo cual es una ventaja para el usuario final.
El software tendrá la capacidad de reconocer la maquina, generar aviso de errores tanto de la maquina como del software, manipular las variables de control, visualizar mediante gráficas relaciones entre variables y guardar registro del comportamiento de la extrusión con relación al valor de las variables en el tiempo. A continuación se puede observar parte de la interfaz gráfica del software donde se puede visualizar su capacidad.
MAQUINA DEEXTRUSION
INTERFAZELECTRONICA
Señal desensores
Señal decontrol
SOFTWARE PARACONTROLAR YVISUALIZAR
VARIABLES DELPROCESO
PC
Comunicacióncon PC
Figura N°6. Visualización interfaz gráfica
INTERFAZ ELECTRONICA Y DISEÑO:
La interfaz electrónica del sistema se dividirá en módulos para separar funciones y hacer más sencillo su diseño.
Modulo de comunicación:
El módulo de comunicación es el encargado de comunicarse con el PC, recibiendo y transmitiendo datos requeridos para la visualización y control de variables. La comunicación de la maquina con el PC se hará por medio de comunicación serial RS-232 o si el tiempo de desarrollo lo permite con protocolo USB 2.0. Para transmitir o recibir datos desde la interfaz electrónica se usara un microcontrolador AVR de Atmel. Actualmente se tiene implementada la comunicación serial por puerto COM (rs-232), teniendo una arquitectura de tramas de información diseñadas especialmente para el intercambio de información entre maquina de extrusión y el PC.
Módulo de acondicionamiento de señal:
Éste se encargara de acondicionar y amplificar las señales analógicas provenientes de los diferentes sensores, este módulo tratara analógicamente las señales para posteriormente ser pasadas a valores discretos entendibles por el PC. El sensor de posición será un encoder y la señal generada por este será tratada directamente por el microcontrolador, ya que esta señal es digital.
Módulo de conversión Análogo-Digital (A/D):
Éste se encargara de transformar las señales analógicas tratadas por el modulo de acondicionamiento a señales con valores binarios, también tratara estas señales digitalmente para su procesamiento y transmisión. al PC.
Módulo de control:
Se encarga de traducir datos provenientes de un algoritmo de control (PC) a una señal con frecuencia constante y ancho de pulso variable (PWM), esta señal será transmitida al modulo de potencia para ser trasmitida posteriormente al motor. Este módulo se implementa en el microcontrolador utilizado.
Módulo de potencia:
Esta parte de la interfaz electrónica se encarga de amplificar la señal de PWM proveniente del modulo de control para suministrar la cantidad de corriente requerida por el motor en las rutinas.
El objetivo en la interfaz electrónica es encapsular el modulo de comunicación, el de control y el de conversión A/D en un solo microcontrolador, desarrollando un programa eficiente que logre un procesamiento de información rápido y sin perdidas de datos.
SISTEMA DE GENERACION DE MOVIMIENTO:
Se requiere generar movimiento rotacional para mover el tornillo y de esta manera generar una trayectoria lineal del vástago de la maquina de extrusión. Este movimiento tiene una serie de requisitos para poder obtener una pasta cerámica con las características deseadas, estos requerimientos se mencionan a continuación:
- Debe ser continuo con relación a la velocidad.- No debe poseer vibraciones- Debe operar con un torque que logre la extrusión de la pasta con menor contenido de líquido, es decir, la más viscosa.- Velocidades de operación pequeñas.
Para poder satisfacer las condiciones planteadas anteriormente se plantea la utilización de un motor-reductor K2RA distribuido por Warner-electric. Es óptimo su uso en esta aplicación ya que tiene una alta precisión, no posee vibraciones. y posee un reductor de velocidad que tiene efecto adicional de amplificación de torque lo que lo hace útil para la aplicación. Para su correcto funcionamiento se debe diseñar el sistema de control de velocidad y posición angular para el motor teniendo en cuanta la dinámica del sistema en conjunto (Trasmisión, pasta cerámica y toda la maquina).
SENSORES UTILIZADOS:
Para la medición de velocidad y posición del vástago se utilizara un encoder que en realidad mide el ángulo de giro del motor, pero siendo este proporcional a la traslación del vástago se logra obtener la información deseada. Haciendo mediciones de tiempo se puede obtener valores de velocidad. Para la medición de temperatura se utilizara termocuplas tipo J y para la medición de presión se utilizará un sensor piezoresistivo industrial o un sensor hecho con galgas extensiométricas.
OBJETIVOS POSTERIORES:
En la elaboración de la pasta cerámica, las pruebas de extrusión con la extrusora diseñada determinarán el cambio o no, de la composición de ésta y por ende de su reología. Finalmente se realizarán pruebas de dilatometría con el fin de controlar los cambios de volumen durante la sinterización de la pieza extruida ya que éstos pueden afectar fuertemente la geometría y las propiedades mecánicas de la misma.
En la etapa actual el diseño del dispositivo de extrusión se encuentra en la etapa de evaluación de conceptos e inicio de los cálculos de estructura para garantizar los parámetros de funcionamiento esto es la aplicación de teorías de falla, resistencia de materiales, transmisión de potencia, entre otras. De la misma forma se desarrolla una etapa de elaboración de experimentos que permitan garantizar el comportamiento de parámetros desconocidos en el funcionamiento del equipo, como son, extracción de aire, ataque corrosivo, desgaste y viscosidad del material cerámico. Los cuales afectan profundamente los alcances de la primera etapa del proyecto al igual que la factibilidad de utilizar el mismo para mejorarlo en las etapas siguientes.
En cuanto a la automatización e instrumentación de la máquina, se plantea el desarrollo de un controlador de presión para el dispositivo; al ser la relación presión-tiempo y presión-distancia de vástago relaciones no lineales se piensa en desarrollar un controlador mediante algoritmos implementados con redes neuronales y aprendizaje. Esto sin mayores modificaciones en el software y el hardware, para esto el software y el hardware deben ser escalables y flexibles.
BIBLIOGRAFÍA 1. Fuente: www.rapidprototing.com2. Vargas L., “inspeccion de la calidad superficial en el prototipado rapido, proceso FDM ”, proyecto de grado
para alcanzar el titulo de magister en materiales y procesos de manufactura. Universidad Nacional de Colombia. 2003
3. Asad U., Briscoe B., Luckham F., “Evaluation of slip in capillary extrusion of ceramic pastes ” Journal of the European Ceramic Society 21, 2001. 483-491.
