AMFAB - INESCOP · 2016. 12. 6. · ITALUX Cordón de 1,75 mm. A continuación se adjuntan unas...
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Fabricación avanzada de productos manufactureros
tradicionales mediante tecnologías de additive
manufacturing
E2.3 Informe técnico de las formulaciones
desarrolladas para el sector calzado y de
sus características físico-químicas, térmicas
y mecánicas
Fecha entregable: 19/10/2015
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TABLA DE CONTENIDOS
1. Información del proyecto
2. Detalles del entregable.
3. Introducción
4. Herramientas CAD
5. Conclusiones
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1. Información del proyecto.
Título del proyecto: Fabricación avanzada de productos manufactureros tradicionales
mediante tecnologías de additive manufacturing
Acrónimo: AMFAB
Programa de trabajo: IVACE. Ayudas dirigidas a centros tecnológicos de la Comunidad
Valenciana para 2015 (2015/664).
Fecha de comienzo: 1 de Enero de 2015
Duración: 24 meses
Lista de participantes:
Participante
No. Nombre organización participante.
Nombre
abreviado Lugar
1 (Coord.) Asociación de Investigación de la Industria del
Juguete, Conexas y Afines AIJU Ibi
2 Instituto Español del Calzado y Conexas INESCOP Elda
3 Instituto Tecnológico textil AITEX Alcoy
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2. Detalles del entregable.
Entregable número: E2.3
Título den entregable: Desarrollo de formulaciones funcionales para calzado
Periodo: 4/2015 – 10/2015
Paquete trabajo: Preparación de las formulaciones funcionales para los sectores
juguete, textil y calzado
Tarea:
Tarea 2.3.- Obtención y caracterización de formulaciones
funcionales para el sector calzado
Autor:
INESCOP
Resumen:
Durante esta tarea, se obtendrán diferentes formulaciones en forma de
granza que posteriormente se utilizarán para obtener los monofilamentos
con propiedades innovadoras con los que se trabajará en el equipo de
FDM.
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3. INTRODUCCIÓN
Las tareas que se van a llevar a cabo y que son descritas posteriormente en este
entregable van a ser las de estudiar los materiales a utilizar, determinando el
porcentaje de aditivo y las condiciones del proceso de compounding para la obtención
de materiales a utilizar en el proceso de fabricación aditiva. Se van a desarrollar
diferentes formulaciones del material en granza para luego obtener el filamento con
propiedades innovadoras que alimentará la impresora 3D
La incorporación de los aditivos o nanoaditivos a los materiales termoplásticos se
realizará mediante mezcla en fundido, mediante extrusión-compounding, con objeto
de conseguir una elevada homogeneidad de la mezcla y adecuada dispersión de los
aditivos. Se realizará un estudio donde se determine el porcentaje de aditivo
adicionado y las condiciones del proceso de compounding (esfuerzo de cizalla que
sufre el material, la velocidad del proceso, las temperaturas de extrusión, etc.). Si se
considera necesario se incorporarán agentes de acoplamiento para conseguir una
máxima interacción y compatibilidad entre los aditivos y la matriz termoplástica.
Durante esta tarea, se obtendrán diferentes formulaciones en forma de granza que
posteriormente se utilizarán para obtener los monofilamentos con propiedades
innovadoras con los que se trabajará en el equipo de FDM. El objetivo es obtener
materiales con propiedades innovadoras para las aplicaciones previstas y de este
modo desarrollar un filamento con propiedades y funcionalidades no existentes en el
mercado, de modo que se obtengan productos con un elevado nivel diferenciador.
4. DESARROLLO EXPERIMENTAL
MUESTRAS Y FORMULACIONES DESARROLLADAS PARA CALZADO
A continuación se incluye una tabla con las muestras que han sido procesadas en
diferentes sitios (AITEX / ITALUX). La extrusión se ha realizado en forma de cordón
considerando varios diámetros (3, 1,8 y 1,75 mm).Las mezclas de EVA con otros
polímeros para mejorar propiedades como la fluidez se han realizado en la misma
extrusora, justo antes del proceso de extrusión. Algunas de estas muestras han sido
descartadas directamente por su imposibilidad de ser extruídas o por la irregularidad
obtenida durante la extrusión y no han sido caracterizadas.
Referencia Naturaleza Procesado
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Material
SBS
CAL H6110 Copolímero termoplástico de etileno-butadieno-
estireno 70/30 (SBS)
AITEX
Cordón de 3 y 1,8
mm
CAL 500 Copolímero termoplástico butadieno/estireno
70/30 (SBS)
AITEX / ITALUX
Cordón de 3 mm
SOL4302 Copolímero en bloque lineal de estireno y
butadieno
AITEX
Cordón de 3 mm
SEBS
SALFORD SEBS AITEX
EVA
LEVAPRENE700 EVA, 70% AV content ITALUX
Cordón de 3 mm.
LEVAPRENE450 EVA, 45% AV, mayor fluidez que Levaprene 700 ITALUX
Cordón de 3 mm.
MH40 EVA, 18% AV para utilizar como material de
limpieza
ITALUX
Cordón de 3 mm.
PU
PEARLTHANE 11T80 Poliuretano termoplástico (TPU) aromático
basado en copoliester policaprolactona.
ITALUX
Cordón de 3 mm.
PEARLBOND
12F75UV
Poliuretano termoplástico (TPU) basado en
poliester.
ITALUX
Cordón de 1,75 mm.
PEARLBOND ECO
D900
Poliuretano termoplástico (TPU) aromático
basado en polioles procedentes de fuentes
renovables.
ITALUX
Cordón de 1,75 mm.
PEARLSTICK 45-60/18 Poliuretano aromático, lineal, elástico con alta
velocidad de cristalización y bajo nivel de
ITALUX
Cordón de 1,75 mm.
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termoplasticidad.
MEZCLAS
Levaprene 700 +15%
carga (AVANZARE)
Etilenvinilacetato (EVA con 70% de contenido en
acetato de vinilo)……+
Carga AVANZARE (microesferas de vidrio para
reducir la densidad del cordón) al 15%.
ITALUX
Nota. No se puede
extruir
adecuadamente
ESCORENE ULTRA UL
04533EH2 + 20 %
VISTAMAXX 6202
Etilenvinilacetato (EVA con 33% de contenido en
acetato de vinilo) de alta fluidez +
VISTAMAXX 6202 (elastómero en base propileno)
al 20%
ITALUX
Cordón de 1,75 mm.
ESCORENE ULTRA UL
04533EH2 + 20 %
EXAC 8230
Etilenvinilacetato (EVA con 33% de contenido en
acetato de vinilo) de alta fluidez +
EXAC 8230 (Plastómero de etileno en base
octano), reduce la viscosidad del polímero base
ITALUX
Cordón de 1,75 mm.
A continuación se adjuntan unas fotos (Foto 1,Foto2,…, Foto 6) de las muestras de cordón
comerciales y de mezclas obtenidas para la obtención de piezas en el sector del calzado:
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Foto 1. Muestras comerciales
Foto 2. Muestras de EVA y mezclas de EVA
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Foto 3. Muestras de SBS
Foto 4. Muestra de SBES
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Foto 5. Muestras de Poliuretano
Foto 6. Muestra de pieza terminada con PU
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Caracterización de las muestras de cordón obtenidas para el sector calzado.
En primer lugar se caracterizó uno de los materiales comerciales que más se aproximaba a las expectativas sobre las piezas obtenidas mediante esta tecnología en el sector calzado. La técnica de espectroscopia IR sirve para determinar la naturaleza química de los materiales. A continuación se incluye el espectro infrarrojo del material comercial referenciado como dorado, observándose las bandas características de un poliuretano.
Espectrofotómetro IR del material comercial
La técnica experimental denominada DMA (análisis dinamomecánico) se emplea para medir la respuesta de un material frente a diferentes tipos de esfuerzo, tales como: tracción, compresión y flexión. Concretamente, consiste en un análisis dinámico-térmico-mecánico que determina las propiedades mecánicas de los materiales y proporciona información cuantitativa y cualitativa sobre su comportamiento, pudiendo medirse, por ejemplo:
- Módulo elástico o de almacenamiento (E’), que es una medida de la energía que puede ser recuperada tras la deformación
- Módulo viscoso o de disipación (E’’), relacionado con la energía disipada por el material
- Tan Delta (δ) - Deformación alcanzada - Rigidez - etc…
3800 3600 3400 3200 3000 2800 2600 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600
0.09
0.08
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0.00
Número ondas
Absorb
ancia
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Todos estos parámetros se pueden calcular en función de: - Tiempo - Temperatura - Frecuencia - Amplitud (esfuerzo o deformación)
En este caso, se realizaron ensayos de tracción sobre el filamento comercial empleando el clamp de tensión. Las condiciones de ensayo fueron las siguientes: - Modo: fuerza controlada - Ensayos esfuerzo/deformación (Stress/strain) - Muestras cilíndricas (longitud, diámetro) - Preload force = 0.15 N - Temperatura de ensayo = 25ºC - Force ramp rate = 1 N/min - Fuerza máxima = 18 N
Igualmente, se realizaron ensayos de tracción sobre el filamento comercial empleando el clamp de tensión, en función de la temperatura: Las condiciones de ensayo fueron las siguientes: - Modo: Multifrequency strain
FUERZA DE TRACCIÓN
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- Barridos de temperatura: de 25 a 200ºC - Muestras cilíndricas (longitud, diámetro) - Preload force = 0.15 N - Amplitud: 0.20-0.40 mm - Temp ramp rate = 3ºC/min Una vez realizados los experimentos, se obtuvieron las siguientes gráficas:
Stress vs Strain para material comercial de referencia
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
Str
ess
(MP
a)
0 2 4 6 8Strain (%)
Sample: comercial SSSize: 24.9309 x 3.0000 mmMethod: Stress/Strain
File: comercial SS.001Operator: ELENARun Date: 26-Nov-2015 09:51
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Módulo elástico (E’) vs temperatura para material comercial de referencia
Módulo viscoso (E’’) vs temperatura para material comercial de referencia
En base a estos resultados, se caracterizaron mediante esta técnica los materiales seleccionados así como la mezcla de algunos de ellos, con el fin de seleccionar aquellos que fueran idóneos desde el punto de vista reológico para esta aplicación. A continuación, se incluyen los resultados obtenidos, en comparación con los resultados obtenidos para el material comercial tomado como referencia.
0.01
0.1
1
10
100S
tora
ge
Mo
du
lus
(MP
a)
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200Temperature (°C)
Sample: comercial TSize: 23.7660 x 3.0000 mmMethod: Temperature Ramp
File: comercial T.009Operator: ELENARun Date: 27-Nov-2015 10:50
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.91
Lo
ss M
od
ulu
s (M
Pa)
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200Temperature (°C)
Sample: comercial TSize: 23.7660 x 3.0000 mmMethod: Temperature Ramp
File: comercial T.009Operator: ELENARun Date: 27-Nov-2015 10:50
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Se puede observar como algunos materiales son similares desde el punto de vista reológico al material comercial tomado como referencia mientras que otros se alejan bastante. Posteriormente, se ha comprobado que estos materiales más similares presentaba un mejor comportamiento frente a la impresión 3D dando los mejores resultados.
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MATERIALES BASADOS EN POLIURETANO
0.01
0.1
1
10
100
1000
Sto
rag
e M
od
ulu
s (M
Pa)
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200Temperature (°C)
comercial––––––– PEARLBOND 12F75UV––––––– PEARLBOND ECO D900––––––– PEARLSTICK 45-60/18––––––– PU MERQUINSA 11T80–––––––
MODULO E’ vs T
0
2
4
6
8
10
Str
ess
(MP
a)
-5 0 5 10 15 20 25Strain (%)
comercial––––––– PEARLBOND 12F75UV––––––– PEARLBOND ECO D900––––––– PEARLSTICK 45-60/18––––––– PU MERQUINSA 11T80–––––––
STRESS vs STRAIN
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0.1
1
10
100
Lo
ss M
od
ulu
s (M
Pa)
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200Temperature (°C)
comercial––––––– PEARLBOND 12F75UV––––––– PEARLBOND ECO D900––––––– PEARLSTICK 45-60/18––––––– PU MERQUINSA 11T80–––––––
MODULO E’’ vs T
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MATERIALES BASADOS EN SEBS
0.01
0.1
1
10
100
Sto
rag
e M
od
ulu
s (M
Pa)
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200Temperature (°C)
SBES––––––– comercial–––––––
MODULO E’ vs T
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
Str
ess
(MP
a)
-5 0 5 10 15 20Strain (%)
SBES––––––– comercial–––––––
STRESS vs STRAIN
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0.01
0.1
1
10
Lo
ss M
od
ulu
s (M
Pa)
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200Temperature (°C)
SBES––––––– comercial–––––––
MODULO E’’ vs T
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MATERIALES BASADOS EN SBS
0.01
0.1
1
10
100
Sto
rag
e M
od
ulu
s (M
Pa)
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200Temperature (°C)
SOL 4302 AITEX––––––– comercial––––––– CAL H6110 AITEX––––––– SBS C-500 AITEX––––––– SBS C-500 ITAWX–––––––
MODULO E’ vs T
0
2
4
Str
ess
(MP
a)
0 5 10 15 20 25 30 35Strain (%)
comercial––––––– SOL 4302 AITEX––––––– CAL H6110 AITEX––––––– SBS C-500 AITEX––––––– SBS C-500 ITAWX–––––––
STRESS vs STRAIN
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0.1
1
10L
oss
Mo
du
lus
(MP
a)
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200Temperature (°C)
SOL 4302 AITEX––––––– comercial––––––– CAL H6110 AITEX––––––– SBS C-500 AITEX––––––– SBS C-500 ITAWX–––––––
SBS
MODULO E’’ vs T
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MATERIALES BASADOS EN EVA y sus MEZCLAS
0.001
0.01
0.1
1
10
100
Sto
rag
e M
od
ulu
s (M
Pa)
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200Temperature (°C)
comercial––––––– EVA REF 12––––––– EVA PA-538+EXACT 8230––––––– EVA PA-538+VISTA MAXX–––––––
MODULO E’ vs T
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
Str
ess
(MP
a)
0 5 10 15 20 25Strain (%)
comercial––––––– EVA REF 12––––––– EVA PA-538+EXACT 8230––––––– EVA PA-538–––––––
STRESS vs STRAIN
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5. CONCLUSIONES
Finalmente, como conclusión de este estudio se seleccionaron dos materiales como idóneos para la impresión 3D en calzado, ambos de naturaleza poliuretánica, uno de ellos en base policaprolactona (PEARLTHANE 11T80) y otro en base poliéster (PEARLBOND 12F75UV).
0.01
0.1
1
10
Lo
ss M
od
ulu
s (M
Pa)
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200Temperature (°C)
comercial––––––– EVA REF 12––––––– EVA PA-538+EXACT 8230––––––– EVA PA-538+VISTA MAXX–––––––
MODULO E’’ vs T