A continuación se describen los diferentes parámetros de la arquitectura interna de las probetas, que fueron considerados para el diseño geométrico de las estructuras porosas en los software CAD (Inventor® para el diseño de las probetas para los ensayos de tracción y Rhinoceros® para el modelado de estructuras y simulación de elementos finitos).
3.1.1 Espesor de capa (e)
Este parámetro de impresión, corresponde al grosor de cada capa de filamentos que deposita el extrusor (boquilla) de la impresora 3D FDM, en secciones transversales, hasta completar la altura final de las probetas de cada material poroso (Pedernera, 2014).
La configuración de este parámetro se relaciona, con la resolución vertical de la impresora 3D; lo cual quiere decir, que al igual que la orientación y la geometría de la estructura, afecta de manera directa, el número de capas, el aspecto de las piezas impresas; así como la velocidad de la impresión. Mientras más fina sea la capa (a menor espesor), mayor será la cantidad de capas, calidad visual de la impresión; al igual que su tiempo de fabricación y costo (Pedernera, 2014). De acuerdo a la revisión bibliográfica realizada en el punto 2.3, las configuraciones más utilizadas para la fabricación de Scaffolds van de 0,25 a 0,5 mm. Para efectos de esta investigación, se evaluaron dos espesores de capa (e): nivel mínimo = 0.2 mm (Ver Figura 8a) y nivel máximo = 0.3 mm (Ver Figura 8b); con valores constantes para el diámetro del filamento (0.42mm) y la distancia entre capas (0.02mm), definidos por el software Kisslicer© y el diámetro de la boquilla de la impresora 3D.Estas dimensiones incluyeron los posibles efectos provocados por los cambios de temperatura y la solidificación de los filamentos posterior a la deposición del material.
Figura 8. Espesor de capa de las probetas evaluadas
Para hallar el número de capas impresas, requeridas para alcanzar la altura total de las probetas; se utilizó la Ecuación 1, con cada uno de los niveles evaluados para espesor de capa:
No. de capas modelo = (Altura en Z del modelo – (2 x Espesor de piel)) Ecuación 1
Espesor de capa
Se utilizaron valores constantes para la Altura en Z del modelo (7mm) y espesor de piel (0,6mm), según la norma ASTM D638 y la orientación de las probetas en la cama de impresión.
No. de capas modelo (nivel mínimo) = (7mm – (2 x 0,6mm) = 29 Capas 0,2 mm
No. de capas modelo (nivel máximo) = (7mm – (2 x 0,6mm) = 20 Capas 0,3 mm
De acuerdo a los resultados con la Ecuación 1, se corroboró que el espesor influye de manera inversamente proporcional al número de capas; es decir para el nivel máximo de (e)=0,3mm, la impresora 3D requirió depositar menor cantidad de capas de filamentos (20) para alcanzar la altura total de las probetas (7mm), respecto al nivel mínimo de (e)=0,2mm, que requirió mayor cantidad de capas (29) (Ver Figura 9).
Figura 9. Número de capas de las probetas impresas en 3D, según el espesor de capa
Nota: a) Probeta con (e) = 0,2mm; b) Probeta con (e) = 0,3mm. Fuente: Autores 3.1.2 Porosidad (p)
Este criterio de impresión, corresponde al porcentaje de volumen vacío, respecto al volumen total de la estructura impresa; siendo inversamente proporcional al porcentaje de relleno (material sólido). La porosidad es definida únicamente por el espacio entre
filamentos; teniendo en cuenta que el diámetro del filamento es constante y corresponde al diámetro de la boquilla (0,43mm) (De Marchi, 2012).
Para el diseño interno de las probetas, se consideraron dos valores de porosidad (50 y 67%) (Ver Figura 10). Cabe notar, que el algoritmo interno del software Kisslicer©, calculó automáticamente el espacio adecuado entre filamentos, para conseguir los niveles deseados de porosidad en las piezas impresas. Por lo tanto, las Ecuaciones 3 y 4, describen el cálculo realizado por Kisslicer©¸ para definir el espacio entre filamentos que aplicó la impresora 3D FDM en cada una de las condiciones de porosidad.
Porosidad mínima:
50% = Ø de filamentos (0.43mm) × espacio entre filamentos (1mm) Ecuación 3
Porosidad máxima:
67% = Ø de filamentos (0.43mm) × espacio entre filamentos (1.73mm) Ecuación 4
Figura 10. Porcentaje de relleno y porosidad de las probetas impresas en 3D (50%)
Nota: a) Porosidad 50%, Relleno = 50% b) Porosidad = 67%, Relleno = 33%. Fuente: Autores
Sin embargo, para comprobar los porcentajes de porosidad asumidos, se realizó el cálculo teórico de los niveles de porosidad experimentales, a partir de la Ecuación 5 planteada por Bill Tseng, Chilukuri, Park, & James Kwon (2014):
Donde:
= Volumen aparente (Volumen total) del modelo, que corresponde a:
Va= Largo x Ancho x Alto = 9mm x 9mm x 4,74mm = 351,54mm3Ecuación 6
= Volumen real del modelo (Volumen ocupado por material). Información suministrada por el software Rhinoceros® 3D, para modelado en tres dimensiones.
En la Tabla 8, se presentan los resultados del cálculo teórico de porosidad, para dos probetas modeladaspor medio del plug-in Grasshopper®, con las siguientes configuraciones de impresión: probeta 1) porosidad asumida (p) = 50% y 2) porosidad asumida (p) = 67%, ambas estructuras porosas con espesor de capa (e) = 0,2mm y ángulo de trama (a) = 0–90°. Tabla 8. Cálculo teórico de porosidad
Cálculo teórico Probeta (p) asumida % Relleno % Va mm3 Vt mm3 (p) teórica % 1 50 50 351,54 155,29 55,83 2 67 33 735,72 224,96 69,42
De acuerdo a los resultados de la Tabla 8, se comprobó que los valores de porosidad asumidos se asemejan a los cálculos teóricos.
3.1.3 Contorno (c)
También conocido como perímetro, es el número de filamentos que deposita la impresora 3D sobre el exterior de la estructura geométrica fabricada mediante FDM. Este parámetro es el recubrimiento que añade fuerza al objeto impreso y es lo primero que se imprime, seguido del relleno. Para columnas o estructuras finas, los diseñadores de los software de corte para impresiones 3D, como Kisslicer© recomiendan utilizar 1 o 2 contornos.
En este trabajo se evaluaron probetas impresas sin contorno (0) y con dos contornos (2) (Ver Figura 11). Para la impresión 3D, el software Kisslicer© asume por defecto un mínimo de contornos igual a 1.
Figura 11. Contornos de filamentos para las probetas impresas en 3D
Nota: a) Contorno (c) = 0; b) contorno (c) = 2. Fuente: Autores 3.1.4 Ángulo de trama (a)
Es el ángulo en el que el extrusor deposita los filamentos en cada capa, durante la impresión 3D, basado en la orientación de los ejes de la máquina (Pedernera, 2014).
De acuerdo a resultados en la fabricación de Scaffolds con polímeros obtenidos por algunos autores (De Ciurana et al. (2013); Yeong, Chua, Leong, & Chandrasekaran (2004),Domingos et al.(2013)); se emplearon dos ángulos de trama: (a) = 0-90° y (a)=45- 135° para la impresión de las probetas (Ver Figura 12).
Figura 12. Ángulos de trama evaluados