Estudio de los efectos de degradación por UV, humedad y un pH básico sobre las propiedades mecánicas de materiales impresos en 3D a partir de PLA

Abstract

A lo largo del tiempo, la evolución de las técnicas de fabricación ha estado orientada a mejorar la precisión, la eficiencia y la productividad en los procesos industriales. Métodos tradicionales como el conformado por deformación, la fundición, el moldeo por inyección o la fabricación sustractiva han sido ampliamente utilizados en la manufactura de piezas y componentes. Sin embargo, las limitaciones de estos procesos impulsaron, en la década de 1980, el desarrollo de la manufactura aditiva (AM), una tecnología que se basa en la adición de material capa por capa. Este enfoque permite una mayor personalización, optimización de recursos y reducción de desperdicios. La impresión 3D, como parte fundamental de la manufactura aditiva, ha experimentado avances significativos, ampliando su aplicación a sectores como la medicina, la aeronáutica y la automoción. Tecnologías como la estereolitografía (SLA) y el modelado por deposición fundida (FDM) facilitaron la producción de piezas con geometrías complejas, reduciendo costos y minimizando el desperdicio de material. Además, la manufactura aditiva ha empezado a desempeñar un papel clave en la sostenibilidad ambiental mediante la optimización de materiales y procesos. Un ejemplo destacado de esto es la fabricación de encofrados de hormigón mediante impresión 3D, permitiendo la creación de piezas de gran complejidad, de manera más sencilla y rápida a un coste menor mejorando la eficiencia en el sector de la construcción. Este Trabajo de Fin de Grado tiene como objetivo analizar la variación de las propiedades mecánicas de probetas impresas en 3D tras ser sometidas a procesos de degradación acelerada, con el fin de determinar el material idóneo para el empleo como encofrado de hormigón. Para ello, se utilizan cuatro tipos de filamentos de PLA, dos de los cuales incorporan aditivos en forma de metal en polvo o cascarilla, un subproducto del proceso de laminación en caliente. Las probetas son expuestas a condiciones ambientales simuladas, incluyendo ciclos de lluvia y radiación UVA mediante una máquina especializada, así como a un entorno de pH básico que simula el carácter alcalino del hormigón fresco. Posteriormente, se realizan ensayos de flexión a tres puntos para evaluar su resistencia y determinar sus propiedades mecánicas. Finalmente, se analizan y comparan los resultados para identificar el material más adecuado para encofrados de hormigón. Los hallazgos indican que los materiales compuestos en un 100% de PLA, como el PLA comercial y el PLA derivado de pellets, mantienen mejor sus propiedades mecánicas tras la degradación. En contraste, los filamentos con cascarilla como aditivo no presentan mejoras en sus propiedades, ya que la adición de polvo en el filamento acelera su degradación, obteniendo materiales más frágiles. Esto se debe, por un lado, a la irregularidad en la impresión y la formación de huecos en las capas, lo que facilita la infiltración de la disolución y acelera el deterioro del material. Por otro lado, el alto porcentaje de polvo de metal compromete el comportamiento elástico del PLA dando lugar a materiales más frágiles. Por último, al evaluar los distintos procesos de degradación, se observa que la exposición a radiación UVA tiene un impacto menor en comparación con la influencia del pH básico, que resulta ser el factor más determinante en el deterioro del material.

Throughout time, the evolution of manufacturing techniques has been aimed at improving precision, efficiency, and productivity in industrial processes. Traditional methods such as deformation forming, casting, injection molding, and subtractive manufacturing have been widely used in the production of parts and components. However, the limitations of these processes led to the development of additive manufacturing (AM) in the 1980s—a technology based on the layer-by-layer addition of material. This approach enables greater customization, resource optimization, and waste reduction. 3D printing, as a fundamental part of additive manufacturing, has undergone significant advancements, expanding its applications to sectors such as medicine, aerospace, and automotive. Technologies like stereolithography (SLA) and fused deposition modeling (FDM) have facilitated the production of complex geometries, lowering costs and minimizing material waste. Additionally, additive manufacturing has begun to play a key role in environmental sustainability by optimizing both materials and processes. A notable example of this is the fabrication of concrete formworks using 3D printing, enabling the creation of highly complex parts in a simpler, faster, and more cost-effective manner, thereby improving efficiency in the construction sector. This Bachelor's Thesis aims to analyze the variation in the mechanical properties of 3D-printed specimens after undergoing accelerated degradation processes, in order to determine the most suitable material for use as concrete formwork. To this end, four types of PLA filaments are used, two of which incorporate additives in the form of metal powder or mill scale, a by product of the hot rolling process. The specimens are exposed to simulated environmental conditions, including rain cycles and UVA radiation using a specialized machine, as well as to a basic pH environment simulating the alkaline nature of fresh concrete. Subsequently, three point bending tests are conducted to evaluate their strength and determine their mechanical properties. Finally, the results are analyzed and compared to identify the most suitable material for concrete formwork applications. The findings indicate that materials composed of 100% PLA, such as commercial PLA and PLA derived from pellets, better retain their mechanical properties after degradation. In contrast, filaments with mill scale additives do not show improvements in their properties, as the inclusion of powder in the filament accelerates degradation, resulting in more brittle materials. This is due, on one hand, to irregularities in printing and the formation of gaps between layers, which facilitate infiltration of the solution and accelerate material deterioration. On the other hand, the high percentage of metal powder compromises the elastic behavior of the PLA, leading to more fragile materials. Lastly, when evaluating the different degradation processes, it is observed that UVA radiation exposure has a lesser impact compared to the influence of basic pH, which proves to be the most decisive factor in material degradation.