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Aug 11, 2023

Efecto de los parámetros de impresión en la fabricación aditiva de piezas metálicas: aspectos de rendimiento y sostenibilidad

Informes científicos volumen 12,

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 19292 (2022) Citar este artículo

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Detalles de métricas

En este estudio, se investigaron los efectos de los parámetros de impresión sobre las propiedades mecánicas de las piezas metálicas fabricadas de forma aditiva mediante una prueba de tracción. Las muestras de acero inoxidable 17-4 PH con dos parámetros de impresión, incluida la densidad del relleno y la orientación del patrón, se fabricaron mediante fabricación aditiva (AM) utilizando la técnica de deposición de metal ligado (BMD). Las propiedades mecánicas consideradas en este estudio son el módulo de Young y la resistencia última a la tracción. Los resultados demuestran que las orientaciones del patrón no afectan el módulo de Young de la muestra de relleno con el patrón triangular. Por el contrario, la resistencia máxima varía significativamente según las orientaciones del patrón, donde las muestras con la orientación del patrón de cero grados producen la mejor resistencia máxima. De hecho, las propiedades mecánicas de los especímenes de relleno aumentan con su densidad de relleno. Sin embargo, cuando se consideran el costo y el tiempo de operación, se establece un índice para estimar el desempeño y la sustentabilidad. La relación entre la resistencia máxima normalizada de un espécimen de relleno y la densidad relativa se define como la eficiencia del peso. El índice para evaluar un producto sostenible se caracteriza por la eficiencia de peso frente a los parámetros sostenibles. El índice puede ayudar a los usuarios finales a seleccionar una densidad de relleno adecuada para los productos AM al considerar el costo y el tiempo de operación. En el modelo de índice se pueden incluir diferentes modelos de costos, incluidos los costos de solo material, los costos directos y los costos totales, para evaluar un producto sostenible en un contexto de costos particular.

La proliferación del desarrollo humano en el siglo XXI implica un cambio fundamental a través de la revolución tecnológica y la vida humana, conocido como la Cuarta Revolución Industrial o Industria 4.0. La civilización está al borde de una nueva revolución industrial para aumentar el rendimiento industrial global y mejorar la calidad de vida en todo el mundo, impulsada por tecnologías de fabricación y sistemas de información modernos. Una nueva generación de sistemas de fabricación puede proporcionar procesos y tecnologías óptimos, es decir, inteligencia artificial, robótica, Internet de las cosas y fabricación aditiva (AM), para una producción flexible con ganancias a largo plazo en eficiencia y productividad1,2,3. Entre los avances tecnológicos, la FA se considera un proceso de fabricación crucial que impulsa la Industria 4.0. AM es una técnica de fabricación para fabricar piezas a partir de un archivo de diseño asistido por computadora (CAD) tridimensional (3D), también conocido como impresión 3D. Permite la fabricación sin esfuerzo de piezas complejas con formas libres mediante un proceso de capa por capa4. Esta técnica tiene menos material de desecho en el proceso de fabricación que los procesos sustractivos tradicionales, por ejemplo, máquinas de control numérico por computadora (CNC), chorros de agua y corte por láser. Dado que las piezas AM se pueden diseñar con mayor libertad de forma y menos desperdicio de fabricación, AM se puede aplicar como un proceso de fabricación novedoso para productos diseñables y personalizables, creando potencialmente un nuevo modelo comercial.

Además de ser una tecnología impulsora de la Industria 4.0, la fabricación aditiva puede considerarse una tecnología sostenible para el medio ambiente, ya que proporciona menos material de desecho y puede utilizar material reciclado en la fabricación. Es un proceso productivo que puede reducir considerablemente las emisiones globales de gases de efecto invernadero. La producción masiva de materias primas en los sectores industriales y su huella ambiental potencial pueden reducirse potencialmente utilizando tecnologías AM. En ese caso, AM puede brindar oportunidades para aumentar la sostenibilidad ambiental en varias industrias. Antiguamente, la sustentabilidad se definía enfatizando el aspecto ambiental. Actualmente, la definición también incluye aspectos sociales y económicos, que también aborda la tecnología AM5. Haciendo referencia a los principios de las 6R (reducir, recuperar, reciclar, reutilizar, rediseñar y remanufacturar)6, AM ofrece una posibilidad para el desarrollo sostenible, mejorando los impactos sociales y económicos de todo el ciclo de vida del producto7,8. AM permite el desarrollo simultáneo de la conservación ambiental y el crecimiento económico, optimizando así el consumo y conservando los recursos para la vida humana. A la luz de la mecánica del desarrollo económico, la economía circular y el uso de los recursos están sustancialmente relacionados. Si se puede reducir y controlar el consumo de materiales y energía en las industrias, los modelos comerciales tradicionales pronto se pueden transformar en modelos de economía circular sostenible1,9.

La tecnología AM comenzó en la década de 1980 como una técnica para crear prototipos. A lo largo de los años, se han propuesto varias técnicas de AM para aplicaciones apropiadas y un uso fácil de usar. Estos avances brindan a la fabricación aditiva más ventajas en la fabricación, como la creación de prototipos más sencilla, sin necesidad de herramientas y habilidades especiales, potencial para producciones personalizadas masivas, tiempo y costo reducidos y producción sostenible8,10. Además, con la capacidad de fabricación bajo demanda, AM puede acortar las cadenas de suministro, reducir las necesidades de almacenamiento y los costos de entrega, y proporcionar un tiempo de entrega más corto para las piezas de repuesto11. Estos beneficios hacen de AM un proceso de fabricación y logística moderno y más accesible, especialmente para las pequeñas empresas con productos innovadores diseñados por ellos mismos. Para las empresas a gran escala, la tecnología AM se ha adoptado ampliamente para diversas aplicaciones, por ejemplo, en las industrias aeronáutica, aeroespacial, automotriz, biomédica y electrónica12,13,14,15,16. En su producción se pueden utilizar numerosos tipos de materiales, por ejemplo, polímeros, cerámicas y metales. Con las innovaciones continuas de las tecnologías y materiales de AM y la aplicación en diversas producciones y mercados industriales, la inversión en AM ha crecido significativamente en la última media década. Después de que la pandemia de COVID-19 disminuyó un poco, muchas industrias entraron en un período de avance e inversión. Según Wohlers Report 202217, la industria AM creció un 19,5 % en 2021, frente al 7,5 % de crecimiento de 2020, el comienzo del brote de COVID-19. Además, AMPOWER, la consultora líder en el campo industrial AM, ha pronosticado que el mercado AM tendrá un crecimiento anual del 18,2% durante los próximos cuatro años. Este informe implica que el sector de la impresión 3D en general tendrá un valor aproximado de 20 000 millones de euros para 202618.

Entre los materiales AM, los metales han recibido más atención por parte de investigadores e industrias en numerosos campos. Se ha pronosticado que la fabricación aditiva en metal logrará un crecimiento anual de más del 29 % entre 2021 y 202519. Una técnica de fabricación aditiva convencional para piezas metálicas es la fusión en lecho de polvo (PBF, por sus siglas en inglés), que esparce polvo para formar una pieza metálica fusionada selectivamente por un haz de alta energía. Sin embargo, esta técnica requiere estrictas normas de seguridad y es una operación costosa. Un método alternativo reciente de AM de metal es la técnica basada en la extrusión basada en el proceso de fabricación de filamentos fusionados (FFF), en el que los filamentos fusionados se mezclan a partir de polímero, aglutinante y polvo de un material. Desktop Metal Inc. (DM) ha propuesto una técnica AM de metal basada en la extrusión, denominada deposición de metal ligado (BMD), mediante la sustitución de la materia prima tradicional por metal, como acero inoxidable, cobre y titanio, en los filamentos.

La técnica BMD permite a los productores usuarios finales personalizar sus piezas metálicas. Con densidades y características de precisión similares a las de la fundición, BMD puede fabricar piezas difíciles de mecanizar con geometría compleja. También puede personalizar piezas de metal para que tengan características de relleno o completamente densas según los requisitos de resistencia y peso. Aunque sus productos tienen ciertos inconvenientes, es decir, porosidad20 y rugosidad de la superficie, el BMD proporciona menos pasos, soportes que se pueden quitar sin esfuerzo y una interfaz de usuario fácil de usar con instrucciones paso a paso. En consecuencia, esta técnica hace que la producción de piezas metálicas sea más accesible y segura sin polvos metálicos sueltos ni láseres y con menos intervención del operador. En el proceso de impresión, hay dos extrusoras que contienen varillas de metal y varillas de cerámica para formar un objeto 3D de metal y un medio de soporte de cerámica, respectivamente. Posteriormente, el aglomerante se disuelve en el proceso de desaglomerado y se densifica en el proceso de sinterización21,22. En cuanto al uso de piezas AM en aplicaciones de ingeniería, el rendimiento mecánico de las piezas AM se puede variar cambiando los parámetros de impresión (p. ej., densidad de relleno y orientación de impresión). Si se requiere cierta resistencia de la pieza para una aplicación, se debe considerar la configuración adecuada de dichos parámetros. De lo contrario, una pieza con una resistencia mayor que la requerida impacta innecesariamente en el tiempo y los costos de fabricación. En consecuencia, es importante optimizar la resistencia y los costos de fabricación de una pieza AM. Desde el punto de vista de la sostenibilidad, la pieza debe tener una resistencia optimizada junto con un costo y tiempo de producción razonables.

En los últimos años, aunque muchos aspectos del comportamiento de los productos AM han sido ampliamente estudiados y publicados por muchos investigadores21,23,24,25,26,27,28, la AM utilizando la técnica BMD no ha sido suficientemente explorada, especialmente en términos de sostenibilidad. Como se mencionó anteriormente, la tecnología BMD permite la producción de bajo volumen y piezas metálicas económicas con más seguridad en el proceso de fabricación, beneficiando a pequeñas empresas, inventores y usuarios académicos para desarrollar sus productos como diseñadores y fabricantes. Sin embargo, para obtener una producción más eficaz y sostenible, se debe considerar la gestión de recursos con el control de los parámetros de impresión apropiados para el rendimiento de la pieza BMD, así como el tiempo y el costo de fabricación, especialmente para los pequeños fabricantes. Dado que BMD abre una amplia gama de aplicaciones para piezas AM con envolventes, es importante optimizar el relleno de la estructura de celosía interna que permite una resistencia específica y un peso ligero. En general, debe optimizarse la relación entre el rendimiento y la cantidad de material utilizado. El tiempo de operación y el costo relacionado con la cantidad de material utilizado en el proceso son variables significativas para una gestión sustentable. Se debe utilizar un indicador que evalúe tanto el rendimiento como la sostenibilidad de la producción AM para lograr piezas AM funcionales con tiempo y costo óptimos.

Hasta donde sabemos, no existe ningún informe sobre la relación entre el rendimiento y la sostenibilidad de los productos AM que utilizan BMD, que es vital para establecer una producción sostenible. Este estudio aspira a investigar los efectos de los parámetros de impresión en el rendimiento mecánico y la sostenibilidad de las muestras de metal AM con la técnica BMD. Las muestras con dos conjuntos de parámetros de impresión, es decir, densidad de relleno y orientación del patrón, se prueban mediante una prueba de tracción para determinar el rendimiento mecánico. La relación entre el rendimiento (resistencia máxima a la tracción) y la sostenibilidad (tiempo y costo de fabricación) de las muestras con densidades de relleno variadas se define como un índice para productos sostenibles. Este documento proporciona un marco para que los usuarios finales y los prosumidores seleccionen los parámetros de impresión apropiados para sus productos AM en función del índice relacionado con el rendimiento y la sostenibilidad. Además, aunque AM se denomina proceso de fabricación sostenible, no existen formas explícitas de indicar el nivel de sostenibilidad de los productos AM. En consecuencia, el índice de este estudio pretende proponer una forma de evaluar la sostenibilidad de los productos AM.

En este estudio, se realizan pruebas de tracción para evaluar las propiedades mecánicas de las muestras AM con la técnica BMD. Las probetas, fabricadas en acero inoxidable 17-4 PH, fueron preparadas para el ensayo en base a la norma ASTM considerando dos parámetros de impresión. El primer parámetro considerado es la densidad de relleno de las muestras AM, que se puede variar ajustando la configuración de los parámetros de impresión de las muestras a través del navegador web de un DM. Se consideran cuatro densidades de relleno: 16 %, 20 %, 24 % y el equivalente de sólido completo, como se muestra en la Fig. 1. Tenga en cuenta que un patrón triangular es un patrón de relleno predeterminado de la impresora, y la densidad se puede variar modificando los tamaños de las celdas unitarias triangulares.

Muestras AM con diferentes densidades de relleno.

El segundo parámetro considerado es la orientación del patrón de relleno, colocado en el plano \(xy\), como se muestra en la Fig. 2a. Las orientaciones variadas se establecieron ajustando la dirección de la trama en el plano horizontal en relación con la plataforma de impresión para obtener muestras con rigidez capaz21. Se consideran tres direcciones de patrón diferentes, es decir, el patrón con ángulos de trama de 0, 15 y 30 grados, como se muestra en la Fig. 2b. Para ángulos de trama entre 0 y 90 grados, las orientaciones de patrón de relleno con 0, 15 y 30 grados producen lo mismo que aquellas con 60, 45/75 y 90, respectivamente. Además, los patrones de relleno con diferentes orientaciones repetirán los mismos patrones cada 90 grados. En consecuencia, en este estudio, los ángulos de trama de 0/60, 15/45/75 y 30/90 se utilizan para representar los ángulos perpendiculares en otros cuartos. En esta investigación, se utilizan especímenes de relleno sin paredes laterales para todas las muestras. Tenga en cuenta que las dimensiones de la muestra son ligeramente diferentes porque están diseñadas para tener ocho celdas unitarias completas a lo largo de los bordes cortos y la misma densidad.

(a) Direcciones de trama en el plano \(xy\) de la plataforma de impresión. (b) Los especímenes AM con diferentes orientaciones de patrón de relleno.

El módulo de Young y la resistencia última a la tracción son las propiedades mecánicas de las muestras AM consideradas en este estudio. El detalle de la recolección de datos se encuentra en la sección del diseño experimental.

Para la investigación de las muestras con diferentes densidades de relleno, se miden los pesos de cada muestra de relleno en la Fig. 1 para calcular sus densidades relativas, definidas como la relación entre el peso promedio de la muestra de relleno y su contraparte completamente sólida. Los valores promedio de la densidad relativa, el módulo de Young y la resistencia última se presentan en la Tabla 1.

De acuerdo con una hoja de datos proporcionada por DM, el módulo de Young y la resistencia máxima de las muestras de acero inoxidable 17-4 PH fabricadas por la impresora de metal 3D son 195 GPa y 1042 MPa, respectivamente29. Con el mismo estándar de prueba, el módulo de Young y la resistencia última obtenidos en este estudio son aproximadamente el 81,69 % y el 81,79 % de los de la hoja de datos, respectivamente. La discrepancia puede ocurrir debido a varios factores en los procesos de fabricación. Por esta razón, un estudio experimental para un contexto de impresión específico es vital para evaluar las propiedades mecánicas de las piezas AM.

La eficiencia de peso de los especímenes de relleno con las rigideces consideradas, incluido el módulo de Young y la resistencia última, se presenta como los valores normalizados en la Tabla 2. Estos valores se calcularon a partir de la ecuación. (2) y se utiliza para comparar la eficiencia entre especímenes de relleno con diferentes densidades. Los resultados muestran que cuanto mayor es la densidad de relleno, más eficientes son las muestras. Sin embargo, este comportamiento no es lineal porque la eficiencia del peso aumenta rápidamente cuando el espécimen se acerca a ser totalmente sólido. Por lo tanto, el espécimen completamente sólido es la mejor opción si solo la resistencia es la consideración principal. Por otro lado, si se considera el peso o el costo como una necesidad adicional, se necesita la condición óptima para las piezas AM considerando tanto la resistencia como el peso o el costo, que se analizan en el aspecto de sustentabilidad en la siguiente sección.

Para la investigación de las muestras con diferentes orientaciones de patrón, se utilizó una densidad de relleno del 12 % para todas las muestras, de las cuales la densidad relativa medida fue del 36,12 %. Los valores promedio del módulo de Young y la resistencia última se presentan en la Tabla 3.

Se puede ver que la orientación del patrón casi no afecta el módulo de Young de los especímenes. Por esta razón, los especímenes pueden imprimirse en cualquier dirección en el plano \(xy\) y producir la misma capacidad de carga en toda la región elástica. Por el contrario, las direcciones de carga aplicadas son significativas para la resistencia del espécimen porque la fluctuación de la resistencia última se muestra durante el cambio de las orientaciones del patrón. Las piezas con la orientación de 0/60 grados muestran mayor resistencia última que aquellas con las orientaciones de 15/45/75 y 30/90 grados (1,47 y 1,30 veces mayor, respectivamente). Las piezas AM con una orientación de patrón de 0/60 grados deben considerarse en el diseño de parámetros de impresión para transportar cargas a fin de garantizar que las piezas produzcan la máxima resistencia última en el plano.

Dado que una muestra de relleno con un patrón triangular se puede tratar como una estructura de celosía con celdas unitarias triangulares, el módulo de Young efectivo de tal celosía se puede predecir usando la forma cerrada obtenida de la literatura30. El espécimen con las paredes laterales no cerradas y la orientación del patrón de 0/60 grados, como se muestra en la Fig. 2, es concordante con una estructura de celosía, y el módulo de Young se puede calcular usando la ecuación. (1). En la validación, el valor del módulo de Young obtenido del experimento en la Tabla 3 se compara con el calculado a partir de la Ec. (1), que es igual a 23.107 GPa. Se observa buena concordancia con un error del 3,10%.

Para comparar los resultados de este estudio con trabajos relacionados, se comparó la eficiencia de peso de la muestra de relleno con la orientación de 0/60 grados (ver Fig. 2) con la obtenida de la literatura. La eficiencia del peso se puede calcular utilizando la ecuación. (2) usando el módulo de Young como la rigidez considerada. Los resultados obtenidos de este estudio y los trabajos relacionados son 0,35, 0,3430, 0,3331 y 0,3532. Estos resultados son consistentes y confirman los resultados experimentales en este estudio.

Además, sustituyendo la Ec. (1) en las ecuaciones. (3) y (4), se puede calcular el módulo de Young en el plano de las muestras en otras direcciones. Los resultados del módulo de Young de las muestras con diferentes orientaciones que van desde \(0\) a 360 grados, obtenidos a partir de las fórmulas y el experimento, se representan en la Fig. 3. La transformación del módulo de Young, obtenido a partir de las ecuaciones. (3) y (4), se ilustra con la línea azul, mientras que los resultados experimentales del módulo de Young de la muestra con las diferentes orientaciones del patrón se presentan como puntos verdes. Se puede ver en el gráfico polar isotrópico que ambos resultados son similares para todas las direcciones correspondientes con un error absoluto de menos del 4,00%.

Gráfico polar isotrópico de las muestras de relleno con diferentes orientaciones de patrón.

Los aspectos ambientales, sociales y económicos son factores generales utilizados para evaluar la sostenibilidad de un producto. Muchos estudios han demostrado que la FA es un proceso de fabricación ecológico en comparación con los procesos convencionales5,33,33,35. AM produce efectos directos en cuanto a mejores impactos ambientales, como la contaminación por partículas, la contaminación y los desechos peligrosos. Al mismo tiempo, también produce impactos ambientales indirectos al proporcionar una reducción de las emisiones de CO2 por un menor uso de materia prima en el proceso. Estos impactos conducen a una mejora social con una mejor calidad de vida y beneficios para la salud de los productores. El aspecto social también impacta el surgimiento de clientes interesados ​​en diseñar y producir, llamados prosumidores, ya que AM les permite alcanzar metas de sustentabilidad y desarrollar nuevas oportunidades de negocios5,36,36,38. Como se mencionó en la introducción, estas ventajas pueden ser más eficientes en la tecnología AM que utiliza BMD, que proporciona una fabricación de piezas metálicas más accesible, segura y eficaz.

Desde una perspectiva económica, la posible mayor participación de los prosumidores impulsa la economía circular a partir de nuevos modelos comerciales emergentes con fabricación y logística actualizadas, por ejemplo, producción bajo demanda y suministro instantáneo. Además, AM con BMD se puede proponer en términos de ahorro de tiempo y producción rentable como resultado de minimizar el metal utilizado en el proceso. Cuanto menos material se utilice, menor tiempo de fabricación y menores costes. Por lo tanto, seleccionar una densidad de relleno adecuada para las piezas, que coincida con su aplicación, es esencial porque la densidad del material está directamente relacionada con el rendimiento, como se mencionó anteriormente. La Tabla 4 presenta el tiempo y los costos para fabricar especímenes AM con diferentes densidades de relleno usando BMD. Los gastos fueron clasificados en costos directos e indirectos y son considerados en el modelo de costos; el costo de la mano de obra no se considera porque es insignificante en el proceso de BMD. Todo el tiempo del proceso de fabricación, es decir, la impresión, el desaglomerado y la sinterización, se incluye en el tiempo operativo en términos de horas.

El costo del material, que incluye solo los costos del metal y de la interfaz, es parte del costo directo, que también considera los costos de electricidad y consumibles, por ejemplo, fluidos y gases desaglomerados. La mayor parte del gasto proviene del costo indirecto, que es aproximadamente del 93% al 94% del costo total. Como se muestra en la Tabla 4, el tiempo y los costos aumentan de acuerdo con la cantidad de material utilizado, en relación con el porcentaje de densidad de relleno de los especímenes. Por lo tanto, ajustar el tiempo y el costo para que sean óptimos para la eficiencia de peso deseada es una forma de ejecutar un proceso sostenible. Este estudio define la relación entre la eficiencia del peso y los parámetros sostenibles normalizados como un índice para productos sostenibles. La eficiencia del peso se puede calcular utilizando la ecuación. (2), que se define como \({e}_{UTS}\) cuando se considera la resistencia última. Mientras tanto, el costo operativo y el tiempo de fabricación se tratan como parámetros sostenibles. Se puede obtener un parámetro sostenible normalizado a partir de una relación entre un parámetro sostenible considerado de cada espécimen de relleno y el de las contrapartes completamente sólidas. Por ejemplo, el costo operativo normalizado se puede obtener de la relación entre el costo de las muestras de relleno y el costo de las contrapartes completamente sólidas, definidas como \({\widehat{C}}_{i}={C}_ {i}^{\text{relleno}}/{C}_{i}^{\text{sólido}}\), donde \(i\) denota un costo considerado, es decir, costo de solo material, costo directo y costo total. En consecuencia, el índice se puede obtener mediante \({e}_{UTS}/{\widehat{C}}_{i}\), que se puede ajustar a varios aspectos económicos considerando diferentes modelos de costos enfocados \(i\) . Nótese que, dado que los costos indirectos están cerca de los gastos totales y ambos arrojan el mismo índice, solo se presentan los resultados de los costos totales. Como se muestra en la Fig. 4, los valores del índice, donde \(i\) indica el costo de solo material, el costo directo y el costo total, se presentan en azul, verde y naranja, respectivamente. La evaluación desde las perspectivas de desempeño, peso y costo se incluye en el modelo de índice como los valores normalizados. Un valor de índice más alto implica que los productos AM tienen un mejor rendimiento frente a la sostenibilidad.

La eficiencia del peso frente a los valores normalizados del costo de operación.

Se observan valores de índice similares para todos los especímenes de relleno considerados, centrándose únicamente en el costo del material. Se da a entender que la densidad de relleno tiene un efecto menor cuando se considera la eficiencia del peso frente al costo normalizado de los materiales utilizados únicamente, especialmente para las muestras con densidades relativas de 50,68 % y 62,18 %. En cambio, centrándonos en los costes directos y totales, las probetas con mayor densidad de relleno arrojan un mejor índice. Se demuestra que a pesar de que los especímenes con mayor densidad de relleno tienen más gastos, dan buenos resultados en términos de desempeño y sustentabilidad.

Además, para modelar un índice más completo desde el punto de vista de la sostenibilidad, el tiempo utilizado en el proceso de fabricación se puede incluir en el modelo de índice. El índice sumando el tiempo de fabricación se puede obtener por \({e}_{UTS}/({\widehat{C}}_{i}\times {\widehat{T}}_{P})\), donde \({\widehat{T}}_{P}\) denota los valores normalizados de todo el tiempo de procesamiento. La evaluación en términos de aspectos de rendimiento, peso, costo y tiempo se incluye en este índice, como se muestra en la Fig. 5.

La eficiencia del peso contra los valores normalizados del costo y tiempo de operación.

Se puede ver en el modelo de la Fig. 5 que los valores del índice aumentan cuando se considera adicionalmente el tiempo de fabricación. Aunque se agregan parámetros más sostenibles en el modelo, la mayoría de las piezas AM con una densidad de relleno más alta siguen siendo mejores que aquellas con una densidad de relleno más baja. Sin embargo, cuando se considera el costo solo del material, las partes con una densidad de relleno más baja pueden generar un índice más alto que aquellas con una densidad de relleno más alta. Dado que la sensibilidad del índice varía según los parámetros sostenibles, la consideración de parámetros más sostenibles (p. ej., consumo de energía y emisiones de CO2 de la materia prima utilizada) y modelos de costos específicos (p. ej., costo solo del material) puede hacer que las piezas tengan un costo más bajo. densidad de relleno tienen más impacto desde el punto de vista del rendimiento frente a la sostenibilidad. Tenga en cuenta que considerar modelos de costos específicos como el costo de solo material es factible para la evaluación porque la mayoría de los costos totales consisten en costos fijos comprometidos como costos indirectos, que son obligaciones fijas del negocio.

De hecho, las partes de relleno no pueden igualar las partes completamente sólidas en términos de capacidad de rigidez en el plano. Este estudio tiene la intención de proponer un indicador para evaluar las piezas AM con una densidad de relleno no solo en el aspecto de rendimiento sino también en el aspecto de sostenibilidad. La relación entre las propiedades mecánicas y los costos y el tiempo, que se presenta en términos de la relación entre la eficiencia del peso y los parámetros sostenibles normalizados, se puede utilizar para evaluar inicialmente el grado de sostenibilidad de un producto AM. El valor más alto del índice demuestra que el producto es preferible en términos de rendimiento frente a sostenibilidad.

Además, este estudio se centra en los puntos de vista de rendimiento y sostenibilidad de los productos AM. Solo se consideran el módulo de Young y la resistencia máxima para el aspecto de rendimiento, mientras que el costo y el tiempo de fabricación se consideran para el aspecto de sustentabilidad. Las sugerencias para estudios futuros son que, en el aspecto del rendimiento, se deben estudiar más a fondo otras rigideces, como la flexión y la fatiga, para cubrir un mayor rendimiento. En el aspecto de sostenibilidad, se pueden considerar parámetros más sostenibles en el modelo, como los aspectos de energía y medio ambiente. Además, este estudio considera solo los costos de fabricación de los productos AM. Un análisis relacionado con la ganancia o pérdida de una inversión puede tenerse en cuenta además para cubrir el aspecto comercial.

Las muestras de acero inoxidable 17-4 PH fabricadas por AM utilizando la técnica BMD se sometieron a pruebas de tracción para investigar los efectos de los parámetros de impresión en el rendimiento y la sostenibilidad. Desde el punto de vista del rendimiento, los especímenes AM con dos conjuntos de parámetros de impresión, es decir, los especímenes con diferentes densidades de relleno y los especímenes con distintas orientaciones de patrón, se probaron para obtener el módulo de Young y la resistencia máxima a la tracción. Como era de esperar, las muestras con una mayor densidad de relleno producen mejores propiedades mecánicas. Las orientaciones del patrón en el plano tienen un pequeño efecto sobre el módulo de Young de las muestras de relleno con el patrón triangular, pero existen diferencias en la resistencia máxima. Los especímenes con una orientación de patrón de 0/60 grados producen la mejor resistencia última.

Desde el punto de vista de la sostenibilidad, el tiempo y el coste de fabricación de las probetas con diferentes densidades de relleno se consideran parámetros sostenibles, mientras que la resistencia última se selecciona como el rendimiento considerado. La relación entre la resistencia máxima de una muestra de relleno y su densidad de peso normalizada se define como la eficiencia de peso de la muestra. El índice para evaluar una pieza AM en términos de rendimiento frente a sostenibilidad se caracteriza por la eficiencia del peso frente a los parámetros sostenibles normalizados. En este estudio se proponen dos modelos de evaluación: (1) la eficiencia de peso versus el costo operativo normalizado y (2) la eficiencia de peso versus el costo operativo normalizado y el tiempo. Los costos de solo material, directos y totales se clasifican como las opciones del modelo de costo. Los resultados muestran que considerando el costo solo del material (un caso límite), los especímenes de relleno con una densidad más baja arrojan un índice comparable a aquellos con una densidad más alta en el primer modelo, mientras que, en el segundo modelo, los especímenes de relleno con un menor densidad producen un mejor índice que aquellos con una mayor densidad. Además de estos casos, las muestras de relleno con mayor densidad tienen el mejor índice para todos los casos. Tenga en cuenta que el rendimiento de las muestras AM en este estudio se investigó solo para la carga en el plano. Otras implementaciones, como la flexión y la fatiga, pueden dar resultados diferentes.

Como muestran los resultados de este estudio, se puede concluir que la orientación del patrón en el plano (plano horizontal) apenas afecta significativamente el módulo de Young de las piezas de relleno con el patrón triangular. El módulo de Young de las piezas de relleno no es una función lineal de la densidad del relleno. Las partes con una mayor densidad de relleno producen una mayor eficiencia de peso de la rigidez en el plano que aquellas con una menor densidad de relleno. Al considerar el rendimiento frente a la sostenibilidad, la mayoría de las piezas con una densidad de relleno más alta producen un índice más alto que aquellas con una densidad de relleno más baja. Sin embargo, la suposición de parámetros sostenibles puede cambiar significativamente el índice. El índice se puede utilizar para evaluar las piezas AM en términos de rigidez frente a la sostenibilidad.

Para un material no homogéneo, si sus inhomogeneidades están uniformemente distribuidas y son considerablemente más pequeñas que el tamaño total del material, al menos estocásticamente, el material puede considerarse un material homogéneo con propiedades efectivas. El material se considera teóricamente extendido para convertirse en un material infinito en la determinación de sus propiedades efectivas. Está sujeto a condiciones de contorno uniformes que producen tensiones y deformaciones uniformes en un material homogéneo en su límite de campo lejano. Las relaciones resultantes entre las tensiones medias y las deformaciones medias pueden utilizarse para definir las propiedades efectivas del material39,40.

Un material no homogéneo en el que las heterogeneidades se distribuyen periódicamente puede considerarse un material periódico, también conocido como estructura reticular. Si una estructura reticular consta de un número sustancial de celdas unitarias periódicas, se pueden determinar las propiedades efectivas41,42. En las estructuras de celosía fabricadas, estos patrones de celdas unitarias se utilizan para ayudar a reducir las cantidades de materias primas utilizadas (en comparación con el material sólido) mientras se conservan las propiedades deseadas que se adaptan a sus aplicaciones. Diferentes patrones periódicos o patrones de celda unitaria dan como resultado los diversos comportamientos mecánicos de las estructuras reticulares.

Una estructura de celosía 2D se usa a menudo para un producto AM para reducir las materias primas y los costos de fabricación mediante el control de las densidades de sus patrones de relleno. Un patrón periódico 2D generalmente se usa para el patrón de relleno de una pieza AM, especialmente un patrón triangular. En este estudio, las muestras AM con patrones de relleno triangulares se tratan como estructuras reticulares 2D con celdas unitarias triangulares. El comportamiento del material de los especímenes de relleno triangulares se puede obtener considerando las propiedades elásticas efectivas de una estructura de celosía con celdas unitarias triangulares. La Figura 6 muestra una estructura reticular con celdas unitarias triangulares, donde \(l\) denota la longitud característica de las celdas unitarias y \(b\) y \(t\) denotan el ancho y el espesor, respectivamente. Estos parámetros significativos se pueden utilizar para calcular el módulo de Young efectivo de las estructuras reticulares con celdas unitarias triangulares obtenidas de la literatura30, es decir,

Una estructura de celosía con celdas unitarias triangulares y sus dimensiones de puntal.

donde \({E}_{x}^{*}={E}_{y}^{*}\) denota el módulo de Young efectivo de las muestras de relleno y \(E\) denota el módulo de Young de la base material. Además, \(\overline{\rho }\) denota la densidad relativa de la estructura reticular con celdas unitarias triangulares que es igual a \(2\sqrt{3}b/l\).

Se utiliza una densidad de relleno en una muestra AM para reducir su peso. Cuando la rigidez de la muestra se encuentra entre los principales objetivos de diseño, se puede considerar la relación entre la rigidez de la muestra y su densidad de peso para evaluar la eficiencia del peso. Para evaluar la eficiencia de un espécimen de relleno en comparación con su contraparte completamente sólida, la relación entre la rigidez considerada por densidad de peso de la muestra y la rigidez por densidad de peso de una muestra completamente sólida que tiene las mismas dimensiones se define como eficiencia de peso de el espécimen, es decir,

donde \({S}^{*}\) y \(S\) son las rigideces consideradas del espécimen de relleno y la contraparte completamente sólida, respectivamente. Además, \(\overline{\rho }\) es la densidad relativa, que es, de hecho, la relación entre la densidad de peso del espécimen de relleno y la densidad de peso de un espécimen completamente sólido que tiene las mismas dimensiones, es decir , \(\overline{\rho } = {{\rho^{*} } \mathord{\left/ {\vphantom {{\rho^{*} } \rho }} \right. \kern-\nulldelimiterspace} \rho}\).

Se investiga el efecto de las orientaciones de carga en estructuras reticulares 2D en un plano \(xy\) para validar las propiedades de las estructuras reticulares en diferentes direcciones de rotación. Para materiales ortotrópicos, la transformación de las propiedades mecánicas del sistema de coordenadas \(xy\) al sistema de coordenadas \({x}^{^{\prime}}-{y}^{^{\prime}}\) es ilustrado en la Fig. 7.

Sistemas de coordenadas originales y rotatorias.

La transformación del módulo de Young entre los dos sistemas de coordenadas, en los que las matrices de rigidez y flexibilidad son simétricas, se puede escribir como43

donde \({E}_{x}\) y \({E}_{y}\) denotan el módulo de Young en el sistema de coordenadas \(xy\), mientras que \({E}_{{x}^ {^{\prime}}}\) y \({E}_{{y}^{^{\prime}}}\) indican el módulo de Young en \(x{^{\prime}}-y{ ^{\prime}}\) sistema de coordenadas. Además, \({G}_{xy}\) denota el módulo de corte, y \({\nu }_{xy}={\nu }_{yx}\) es la relación de Poisson. Aquí, \(m=cos\theta\) y \(n=sin\theta\) se definen para la transformación de puntos geométricos.

Las propiedades mecánicas de las piezas AM se pueden obtener experimentalmente mediante una prueba de tracción basada en el estándar ASTM E8/E8M. Dado que una pieza AM se trata como una estructura reticular construida por muchas celdas unitarias en su interior, su muestra debe diseñarse como un material homogéneo con propiedades efectivas para garantizar que produzca una respuesta mecánica exacta44,45. Se pueden estudiar otros parámetros de impresión que afecten a sus propiedades mecánicas a la hora de garantizar que una muestra pueda considerarse un material homogéneo. En este documento, se han enfatizado dos parámetros de impresión significativos, es decir, la densidad del relleno y la orientación del patrón, para investigar los efectos de los parámetros de impresión de la tecnología AM en el comportamiento del material y los costos de fabricación. Se consideran cuatro densidades relativas para las muestras AM, que incluyen 50,68 %, 62,18 %, 73,60 % y 100 % (equivalente) de la muestra completamente sólida, como se muestra en la Fig. 1. Se consideran tres orientaciones de patrón de las celdas unitarias triangulares , incluida la orientación del patrón rotada \(0^\circ\), \(15^\circ\) y \(30^\circ\), como se muestra en la Fig. 2. Dado que la rotación de \(0^\ circ\), \(15^\circ\) y \(30^\circ\) produce geometría simétrica con \(60^\circ\), \(45^\circ /75^\circ\), y \(90^\circ\), respectivamente, las orientaciones del patrón de relleno consideradas son entonces suficientes para la investigación en este estudio.

Todas las muestras, hechas de acero inoxidable 17-4PH, se fabricaron con tecnología BMD mediante una impresora 3D Studio System Desktop Metal. Los especímenes con densidad de relleno utilizando un patrón triangular se crearon sin espesores de pared superior e inferior para investigar el efecto de densidad de relleno. La geometría y dimensión de las probetas se consideraron de acuerdo a la norma ASTM E8/E8M, como se muestra en la Fig. 8a. Las densidades de relleno se variaron cambiando \(l\) mientras se mantenía la sección transversal del puntal rectangular (ver Fig. 6). Las densidades de relleno también se presentan como densidades relativas, que es una relación entre el peso de los especímenes de relleno y el sólido completo, como se muestra en la Tabla 1. Para los especímenes utilizados para investigar el efecto de orientación del patrón, los especímenes con forma rectangular fueron diseñados en base al estándar ASTM E8/E8M, como se muestra en la Fig. 8b, donde \(\mathrm{W}\) se puede ajustar para obtener celdas unitarias completas a lo largo del borde corto. En la investigación se utilizaron las muestras con densidades relativas del 36,12% para cada orientación del patrón. Tenga en cuenta que se examinaron cinco muestras para un conjunto de especímenes en cada tipo de parámetro. Se recolectaron los resultados confiables de al menos tres muestras para calcular los valores promedio del módulo de Young y la resistencia última.

La geometría y dimensión de un espécimen según el estándar ASTM E8/E8M.

De acuerdo con la norma ASTM E8/E8M, se realizó una prueba de tracción utilizando una máquina de prueba universal Instron 8802 para obtener el módulo de Young y la resistencia última a la tracción de las muestras de acero inoxidable 17-4 PH. Los ensayos de tracción se realizaron en control de desplazamiento con una velocidad de 1,0 mm/min antes del límite elástico y una velocidad de 5,0 mm/min después del límite elástico. Se usó un extensómetro para medir la deformación en la región elástica y luego se retiró después del límite elástico.

Se utilizó un modelo de costo unitario para estimar los costos totales de los productos AM durante el proceso de fabricación. Una ecuación general del modelo de costo total \({C}_{T}\) se puede escribir como

donde \({C}_{\text{Directo}}\) denota el costo estimado incurrido por materia prima, interfaz, consumibles y electricidad, mientras que \({\dot{C}}_{\text{Indirecto}} \) y \({T}_{P}\) denotan la tasa de costo de la operación de la máquina y el tiempo de procesamiento. Además, \({\dot{C}}_{\text{Mano de obra}}\) y \({T}_{L}\) denotan la tasa de mano de obra y la duración de la mano de obra.

La suma de los costos de los elementos, es decir, los costos directos, indirectos y de mano de obra relacionados con la actividad de impresión, refleja el costo del proceso BMD primario. La estimación de costos directos captura todos los gastos de materiales que ingresan al sistema (materia prima e interfaz), energía consumida y consumibles (hoja de construcción, fluido de desaglomerado, gas, etc.). La tasa de costos indirectos representa los principales costos totales de depreciación y mantenimiento de las máquinas, que se pueden obtener por

En este estudio, se estimó que la máquina de impresión operaría durante un período de diez años, mientras que el costo anual de mantenimiento se estimó en un 15 % a 20 % del costo anual de la máquina, dependiendo de cada tipo de máquina. Además, el tiempo de funcionamiento anual se fijó en 4.000 h. La ecuación (6) se usó para calcular la tasa de costo total de la máquina en la Tabla 5. La estimación del costo de mano de obra describe los costos que paga un trabajador de producción AM. La Tabla 5 muestra los elementos del modelo de costo total a lo largo del proceso de fabricación. Tenga en cuenta que todos los costos estimados se modelan en función del contexto del propietario de la máquina.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Descargar referencias

Este trabajo fue parcialmente apoyado por la Universidad de Chiang Mai. El autor para correspondencia agradece el apoyo financiero de la Oficina del Secretario Permanente, Ministerio de Educación Superior, Ciencia, Investigación e Innovación (OPS MHESI), Investigación Científica e Innovación de Tailandia (TSRI) bajo la subvención no. RGNS 64-070. El segundo autor ha recibido la beca de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Chiang Mai. Esta investigación es parte del proyecto "A Strategic Roadmap Toward the Next Level of Intelligent, Sustainable, and Human-Centered SME: SME 5.0" del programa de investigación e innovación Horizon 2021 de la Unión Europea bajo el acuerdo de subvención Marie Skłodowska-Curie No. 101086487 .

Departamento de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ingeniería, Universidad de Chiang Mai, Chiang Mai, 50200, Tailandia

Thongchai Fongsamootr, Itthidet Thawon, Nakorn Tippayawong y Pana Suttakul

Departamento de Ingeniería Industrial, Facultad de Ingeniería, Universidad de Chiang Mai, Chiang Mai, 50200, Tailandia

Korrakot Yaibuathet Tippayawong

Unidad de Investigación de Cadena de Suministro y Gestión de Ingeniería, Universidad de Chiang Mai, Chiang Mai, 50200, Tailandia

Korrakot Yaibuathet Tippayawong

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TF inició la concepción, apoyó y supervisó este estudio de investigación, IT y PS realizaron los experimentos y analizaron los resultados, NT y KYT recaudaron fondos y supervisaron este estudio de investigación, PS diseñó la dirección de la investigación, redactó, escribió y editó el manuscrito. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Pana Suttakul.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Fongsamootr, T., Thawon, I., Tippayawong, N. et al. Efecto de los parámetros de impresión en la fabricación aditiva de piezas metálicas: aspectos de rendimiento y sostenibilidad. Informe científico 12, 19292 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22613-2

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Recibido: 29 junio 2022

Aceptado: 17 de octubre de 2022

Publicado: 11 noviembre 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-22613-2

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