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Tesis:

Influence of time on the microstructure, thermal and mechanical properties of 1D PLA and PLA-Mg filaments after Fused Filament Fabrication

  • Autor: ORELLANA BARRASA, Jaime

  • Título: Influence of time on the microstructure, thermal and mechanical properties of 1D PLA and PLA-Mg filaments after Fused Filament Fabrication

  • Fecha: 2023

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS

  • Departamentos: CIENCIA DE LOS MATERIALES

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/77087/

  • Director/a 1º: PASTOR CAÑO, José Ygnacio

  • Resumen: Los materiales poliméricos procesados por la técnica de fabricación aditiva Fused-Filament Fabrication (FFF) para crear piezas 3D sufren un tratamiento térmico que impacta en sus propiedades físicas, químicas, mecánicas y térmicas. Conocer las propiedades de un material antes de utilizarlo para cualquier aplicación es algo imperativo para poder diseñar correctamente cualquier pieza. En este trabajo se analiza cómo el procesado FFF afecta a estructuras 1D de PLA y PLA-Mg, desacoplando del estudio las variables asociadas a una estructura tridimensional (3D) impresa. De esta forma, se consigue profundizar en el entendimiento de los mecanismos que afectan a las propiedades de una pieza 3D impresa por FFF, el cual resulta muy complejo por la enorme variedad de variables que presenta el problema: temperatura de impresión, porcentaje de relleno, ángulo de impresión, velocidad de impresión, altura de capa, temperatura de cama, temperatura ambiente, y otras muchas más. Para desacoplar y eliminar la mayor cantidad posible de estas variables se han investigado estructuras una dimensión (1D), las más simples posibles. Se han realizado ensayos de densitometría, calorimetrías diferenciales de barrido (DSC), tracción, espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) y observaciones mediante perfilometría y microscopía electrónica de barrido (SEM) para obtener el impacto del proceso FFF en los materiales PLA y PLA-Mg. Se han discutido posibles procesos de degradación desde un punto de vista novedoso, se han buscado evidencias de la orientación-molecular inducida por flujo y se han realizado modelos para describir el envejecimiento de los polímeros. Se ha realizado un especial énfasis en comprender la evolución de estos materiales con el tiempo para poner de manifiesto la importancia de envejecer el PLA y cualquier material base PLA antes de caracterizarlo. Los resultados obtenidos han permitido extender los conocimientos actuales sobre PLA y PLA-Mg y sentar una base sólida sobre la que discutir cómo afecta el proceso FFF al material impreso en cualquier estructura impresa 3D gracias a este estudio de filamentos 1D. Los materiales de PLA y PLA-Mg se han elegido por su presencia en la sociedad y potencial para mejorar en la regeneración de tejido óseo. ABSTRACT Polymeric materials processed by the Fused-Filament Fabrication (FFF) additive manufacturing technique to create 3D parts undergo heat treatment that impacts their physical, chemical, mechanical, and thermal properties. Knowing the properties of a material before using it for any application is imperative to be able to correctly design any part. In this work we analyze how FFF processing affects 1D PLA and PLA-Mg structures, decoupling from the study the variables associated with a three-dimensional (3D) printed structure. In this way, it is possible to deepen the understanding of the mechanisms that affect the properties of a 3D part printed by FFF, which is very complex due to the enormous variety of variables presented by the problem: printing temperature, filling percentage, printing angle, printing speed, layer height, bed temperature, ambient temperature, and many others. To decouple and eliminate as many of these variables as possible, one-dimensional (1D) structures, the simplest possible, have been investigated. Densitometry, differential scanning calorimetry (DSC), tensile, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and observations by profilometry and scanning electron microscopy (SEM) have been performed to obtain the impact of the FFF process on PLA and PLA-Mg materials. Possible degradation processes have been discussed from a novel point of view, evidence of flow-induced molecular orientation has been sought and models have been made to describe polymer aging. Special emphasis has been made on understanding the evolution of these materials with time to highlight the importance of aging PLA and any PLA base material before characterizing it. The results obtained have allowed to extend the current knowledge on PLA and PLA-Mg and to lay a solid foundation on which to discuss how the FFF process affects the printed material in any 3D printed structure thanks to this 1D filament study. PLA and PLA-Mg materials have been chosen for their presence in society and potential to improve bone tissue regeneration.