Diseño de moldes de materiales compuestos para la fabricación aditiva basada en extrusión

ABSTRACT: Additive manufacturing by extrusion of thermoplastic materials in pellet format is becoming a promising technology that tries to compete with conventional manufacturing technologies. In this sense, it allows depositing a high amount of material (kg/h), being able to generate thermoplastic mould preforms in a reasonable time that allows rivalling the prices of machining large metal moulds. However, it is still necessary to analyse their production limitations, addressing solutions from the point of view of the selection of materials, the design of the mould itself and the post-processes necessary to obtain operational moulds for the manufacture of parts with composite materials.

Specifically, within the MOLDAM Project co-funded by the EIT Manufacturing, a carbon fibre reinforced thermoplastic material (PA6/CF) in pellet format has been selected for additive manufacturing based on high deposition rate extrusion. An extensive testing campaign of the extruded material has been carried out to characterise its thermo-mechanical properties in the deposition directions and at different temperatures, based on the requirements of the use cases (aeronautical and wind energy sector).

The objective has been to develop an iterative mould design methodology, in which advanced Computer Aided Engineering (CAE) tools are used to simulate and calculate the thermo-mechanical behaviour of the moulds by means of Finite Element Analysis (FEA), thus defining the optimum thicknesses and fillings to guarantee the structural integrity of the mould in the autoclave curing conditions of the parts (P=7bar,Tª=180ºC).

Keywords: Design, Moulds, Extrusion-based Additive Manufacturing

1. Introducción

Los moldes para la fabricación de materiales compuestos están sujetos a unos requerimientos técnicos que deben cumplirse para garantizar su funcionalidad. Los moldes basados en tecnologías convencionales, como los moldes metálicos fabricados a partir de procesos de arranque de viruta o los moldes de materiales compuestos, siguen metodologías de ingeniería de diseño y de fabricación con especificaciones de proceso desarrolladas durante muchos años, que permiten obtener resultados dentro de los requerimientos establecidos [1]. Por el contrario, las metodologías de ingeniería de diseño y fabricación para la fabricación de moldes, mediante tecnologías de Fabricación Aditiva Basada en Extrusión (FABE) de termoplásticos reforzados en formato pellet, están en fase de investigación, y se focaliza hacia moldes de gran tamaño [2]. De una forma parecida que en la norma española UNE-EN ISO/ASTM 52910, en este artículo se darán a conocer las diferentes etapas del procedimiento ingenieril que se ha seguido en el marco del Proyecto MOLDAM, y que pueden servir para marcar unas directrices útiles y aplicables a otros casos de uso, desde la evaluación de los requerimientos técnicos y selección de materiales, pasando por una fase iterativa de diseño y cálculo del molde, y terminando con su validación en el proceso de fabricación.

2. Metodología de Ingeniería de diseño de moldes FABE.

A continuación, se describen en detalle las diferentes etapas que forman la metodología:

2.1. Evaluación de los requerimientos

Los requerimientos técnicos que definen la funcionalidad del molde marcan el grado de complejidad y exigencia en cada paso de la metodología, acotando las soluciones técnicas disponibles para la obtención de un buen resultado, y en consecuencia estas limitaciones repercuten en el coste final del molde.

Los requerimientos técnicos más críticos están relacionados con el comportamiento termo-mecánico y geométrico bajo las condiciones de curado de la pieza de materiales compuestos. Existen otros requerimientos, como la durabilidad, la estanqueidad, etc. pero no se abordarán en este artículo.

En primer lugar, la tipología de piezas que se aborda en este artículo son de tipo carenado con funcionalidad aerodinámica y estética, y exigen una rugosidad superficial en la zona de laminado inferior a 8 micras ( Ra ≤ 8 µm - N9) y con una ondulación de Δw = 0,25 mm / 100 mm. Teniendo en cuenta que la pieza va a copiar todos los defectos que tenga el molde, es recomendable exigir al molde unos requerimientos más restrictivos (por ejemplo Ra ≤ 3,2 µm – N8 y Δw = 0,25 mm /50 mm). Estos requerimientos se conseguirán en la fase final de postprocesos de mecanizado CNC aplicando recubrimientos superficiales si fuera necesario.

En segundo lugar, el molde se someterá a unas condiciones de curado de la pieza de materiales compuestos a una Presión de hasta 7 bar y a una Temperatura de hasta 180ºC, definidas en la ficha técnica de la matriz. Para garantizar la homogeneidad del curado en toda la pieza, y así evitar gradientes térmicos que provocan problemas de tensiones residuales, el molde debe seguir una rampa de calentamiento de 3ºC/min durante el ciclo de curado, y se permite una tolerancia de +/- 5 ºC. Bajo estas condiciones, el molde tiene que garantizar una estabilidad dimensional, evitando deformaciones inferiores a 0,1 mm.

2.2. Selección de materiales

Para la elección del material que se utilizará para la fabricación del molde con tecnología de fabricación aditiva basada en la extrusión, es necesario partir de las siguientes premisas:

• Seleccionar un material que sea imprimible mediante extrusión y que no requiera de una cámara calefactada.
• Debe soportar 180°C en continuo y mantener buenas propiedades mecánicas en esas condiciones.
• Su precio tiene que ser competitivo y con buena disponibilidad de suministro en el mercado.

Figura 1. Comparativa conceptual entre: izquierda “Fused Filament Fabrication (FFF) y derecha “Extrusion Additive Manufacturing (EAM) [3].

Sobre la base de la investigación realizada por Olusanmi Adeniran et. al. [4], donde se lleva a cabo una revisión de las diferentes matrices termoplásticas para la fabricación aditiva, éstas pueden clasificarse en diferentes grados de calidad: básico, de ingeniería y de alto rendimiento (ver Figura 2).

Como norma general, los requisitos aeronáuticos implican el uso de materiales de altas prestaciones, que generalmente sólo pueden encontrarse comercialmente en formato filamento para la tecnología FFF a precios muy elevados, como el ULTEM, con parámetros de procesado muy críticos y con la necesidad de extruirlo en un ambiente térmico controlado. En este sentido, Ahmed Arabi Hassen et.al. [5] describen el desarrollo de moldes para autoclave que pueden utilizarse para fabricar piezas aeroespaciales de materiales compuestos con materiales capaces de soportar temperaturas elevadas, como el sulfuro de polifenileno (PPS) con variaciones de alta carga de fibra de carbono (40%,50% y 60% en peso). Otra alternativa más económica consiste en utilizar termoplásticos de grado de ingeniería dopados con refuerzos de fibra corta para aumentar el rendimiento de los polímeros puros.

Figura 2. Clasificación de materiales de matriz termoplástica para aplicaciones de fabricación aditiva [3].

En los materiales termoplásticos (semi)cristalinos, la temperatura de servicio se sitúa entre su Tg y su Tm (temperatura de fusión). La propiedad que puede dar una idea de su comportamiento en servicio es la Temperatura de deflexión térmica bajo carga HDT (Heat Deflection Temperature) que figura en las fichas técnicas y definida mediante ensayos de la norma ISO 75-2 y ISO 3146.

La utilización de termoplástico reforzado con fibra corta en formato granza en otros sectores, como la automoción, mediante procesos de alta cadencia de inyección de plástico, permite una mayor competitividad en los precios y garantiza el suministro de forma regular y con una calidad del producto estable.

En este caso, se ha seleccionado un material basado en matriz termoplástica de PA6 con un 20% de refuerzo de fibra de carbono en formato pellet.

2.3. Caracterización del material

El fabricante del material seleccionado proporciona una ficha técnica con propiedades físicas y termo-mecánicas, entre otras, todas ellas caracterizadas a partir de probetas obtenidas con el proceso de inyección y ensayadas a temperatura ambiente.

Para conocer las propiedades reales del material mediante la tecnología de fabricación aditiva con extrusión, se ha fabricado un cubo cuadrado con paredes de 5 mm de espesor como se indica en la Figura 3. A partir del cubo fabricado se han obtenido las diferentes probetas de ensayo, teniendo en cuenta la orientación del corte de las probetas para determinar las propiedades del material en las diferentes direcciones, al tratarse de un material orto-trópico.

Se ha realizado una campaña de ensayos mecánicos (tensión - ISO 527, compresión – ISO 604, flexión- ISO 14125, cortadura - ASTM D5379) a temperatura ambiente, y también dentro de una cámara calefactada a las temperaturas de 80ºC y 180ºC. También se han realizado ensayos térmicos como el DMTA-ISO6721 para determinar el CTE en las diferentes direcciones y ensayos de conductividad térmica y calor específico mediante método de Hot disk. Además, se ha determinado la densidad real mediante análisis micrográfico de tratamiento de imágenes.

Los resultados obtenidos se han introducido en una base de datos para utilizarlos en la siguiente fase de diseño, en la que se ha simulado mediante el método de elementos finitos las condiciones teóricas del ciclo de curado en autoclave.

Figura 3. Diseño del cubo de fabricación aditiva para la obtención de probetas y su caracterización termo-mecánica. Ensayo de flexión a Temperatura (derecha)

2.4. Metodología iterativa de diseño

En este apartado se describe la metodología de diseño iterativo a través del diagrama de flujo de la Figura 4.

Las propiedades mecánicas, térmicas y CTE obtenidas en la caracterización del material se introducen en la modelización informática (Análisis FEM) para saber si se cumplen los requisitos correspondientes.

Si es necesario, después de cada análisis de modelización informática, se aplica un rediseño del modelo 3D, aumentando o disminuyendo el grosor de las paredes, así como aumentar o disminuir el porcentaje de relleno interior de las piezas. En algunos casos, si el rediseño no cumple los requisitos, se recomiendan algunas directrices en la estrategia productiva, como modificar los parámetros del ciclo de curado, la configuración de la bolsa de vacío o el proceso de fabricación aditiva.

Figura 4. Metodología de diseño

3. Caso de uso

3.1. Diseño preliminar y optimización

El molde de referencia del caso de uso es inicialmente un elemento único, pero como la pieza laminada de material compuestos (indicada en amarillo en la Figura 5) presenta ángulo negativo de desmoldeo debido a la geometría curva, se diseña el molde en dos partes, incluyendo dos elementos de posicionamiento cilíndricos para garantizar una buena alineación entre las dos partes del molde.

Se amplía el borde de la pieza 15 mm para dejar material extra para el recanteado final, y en consecuencia las dimensiones del molde también deben aumentar.

Tras diferentes soluciones analizadas, aplicando estructura nervada en las caras posteriores de las partes del molde, que no cumple con los requisitos de deformación, la principal optimización es reducir los espesores de pared manteniendo el relleno al 100%, con deposición de capas bidireccionales 0º/90º ó +45º/-45º.

Figura 5. Diseño preliminar y optimización

3.2. Análisis mecánico

De acuerdo con la presión (7 bar) del ciclo de curado de 20ºC a 180ºC, con bolsa de vacío contra una mesa y el efecto de la gravedad del material, el análisis FEM da una deformación máxima de 0,02 mm, por debajo del requisito de 0,1 mm como se muestra en la siguiente figura.

Figura 6. Análisis mecánico FEM

1.1. Análisis térmico

Se simula que el molde se coloca en un autoclave cilíndrico en la zona central según la posición de la Figura 7 para proporcionar el mejor flujo de aire, con el fin de obtener homogeneidad de calentamiento en la zona de laminado de la pieza.

Figura 7. Simulación térmica del flujo de aire con el molde dentro del autoclave.

Según la temperatura del ciclo de curado de 20ºC a 180ºC con velocidad de calentamiento de 3ºC/min, y un paso intermedio de permanencia a 80ºC de 1 hora, el Análisis térmico FEM da lecturas de temperatura de homogeneidad entre el requisito de +/-5 ºC durante el ciclo de curado.

Figura 8. Resultados de temperatura máxima y mínima en la zona de lamiando durante el ciclo de curado.

1.1. Análisis termo-mecánico

Según los efectos de la presión y las dilataciones térmicas se aplican al modelo CAD 3D diferentes factores de escala geométricos para compensar los efectos físicos intrínsecos del material debidas al coeficiente de expansión térmica (CTE) en las diferentes direcciones X, Y, Z.

1.1. Validación

El molde se imprime según la estrategia de deposición elegida para ser validado funcionalmente y se somete al ciclo de curado hasta 180ºC con presión de 7 bares, validando su comportamiento estructural y no observando grandes diferencias dimensionales después del proceso. Diferentes termopares se han distribuido en la superficie del molde para registrar la temperatura durante el ciclo de curado, no observándose gradientes térmicos entre ellos como se observa en la Figura 9.

Figura 9. Validación real del comportamiento termo-mecánico en condiciones de ciclo de curado en autoclave.

Para asegurar que el material seleccionado puede ser utilizado para moldear piezas laminadas siguiendo un ciclo de curado, se procede a la preparación superficial de laminado mediante post-procesos (mecanizado, enmasillado y pulido) laminándose varias capas de material preimpregando para su curado en el autoclave y posterior desmoldeo. Estos post-procesos y la validación dimensional del propio molde se están evaluando, mediante control dimensional con tecnología de visión artificial, dentro del Proyecto MOLDAM 2.

Figura 10. Validación mediante laminado, curado y desmoldeo de componente representativo

4. Conclusiones

El trabajo desarrollado en el marco del Proyecto MOLDAM ha permitido definir una metodología de diseño y validación de moldes para materiales compuestos, en condiciones de curado en autoclave (P=7bar, Tª=180ºC), mediante la tecnología de fabricación aditiva basada en la extrusión de termoplástico reforzado con fibras cortas en formato pellet.

La inversión realizada en una buena campaña de ensayos para la caracterización del material permite generar una base de datos fiable, que se usa para alimentar el análisis termo-mecánico, consiguiendo resultados más afinados y representativos del comportamiento real del molde bajo las condiciones del ciclo de curado en el autoclave.

El mismo método es replicable a otros casos de uso con moldes de geometrías diversas, y se están validando, dentro del Proyecto MOLDAM 2, sus requerimientos (rugosidad superficial, estabilidad dimensional, etc.) mediante control dimensional, y validando su funcionalidad mediante el laminado y curado real de las piezas en las condiciones del ciclo de autoclave.

Bibliografía

[1]		Galiana, J.: Guías básicas para elección de material de útil de curado en autoclave para fabricar piezas de composite. CFRP vs INVAR36. In: XII Congreso Nacional de Materiales Compuestos MATCOMP 2017. , Donostia-San Sebastian (2017).
[2]		Roschli, A., Gaul, K. T., Boulger, A. M., Post, B. K., Chesser, P. C., Love, L. J., Blue, F., & Borish, M. (2019). Designing for Big Area Additive Manufacturing. Additive Manufacturing, 25, 275–285. https://doi.org/10.1016/J.ADDMA.2018.11.006
[3]		Tagscherer, N., Bär, A.M., Zaremba, S., Drechsler, K.: Mechanical Analysis of Parameter Variations in Large-Scale Extrusion Additive Manufacturing of Thermoplastic Composites. J. Manuf. Mater. Process. 6, (2022). https://doi.org/10.3390/jmmp6020036.
[4]		Adeniran, O., Cong, W., Aremu, A.: Material design factors in the additive manufacturing of Carbon Fiber Reinforced Plastic Composites: A state-of-the-art review. Adv. Ind. Manuf. Eng. 5, 100100 (2022). https://doi.org/10.1016/j.aime.2022.100100
[5]		Hassen, A.A., Lindahl, J., Chen, X., Post, B., Love, L., Kunc, V.: Additive Manufacturing of Composite Tooling using High Temperature Thermoplastic Materials. In: Society for the Advancement of Material and Process Engineering. , Long Beach, CA (2016).