Los productos de manufactura aditiva exitosos dependen de las propiedades y comportamientos de los materiales que usted utilice. La reología proporciona información valiosa para la manufactura segura, eficiente y reproducible de polímeros.

Los productos de polímero están en todas partes, desde películas de empaque y vasos de yogur hasta piezas de automóviles complejas. Incluso entre esas aplicaciones tan diversas, los productos de plástico por lo general se fabrican con los mismos pasos simples:

1. Se comienza con materiales a base de polímeros, generalmente en forma de gránulos o polvos
2. Se calienta el material para que se derrita y fluya libremente
3. Se da forma al material fundido por medio de procesos como soplado de película, moldeo por inyección, extrusión o manufactura aditiva (impresión 3D)
4. Se permite que el producto se enfríe y se solidifique

Las propiedades y la forma física del producto resultante dependen en gran medida de su procesamiento. Los fabricantes necesitan un conocimiento profundo de su material y aplicación para lograr las cualidades deseadas del producto final. Es posible ir conociendo el material durante el procesamiento, pero lleva a mayores pérdidas de material e incremento de los costos de producción.

La caracterización del material es más eficiente y a final de cuentas más productiva cuando se lleva a cabo a escala de laboratorio antes del procesamiento. Entonces, los fabricantes pueden diseñar condiciones de procesamiento en torno a las propiedades medidas de los materiales.

Fabricantes e investigadores por igual utilizan la reología, el estudio de la deformación y el flujo de un material. La reología ofrece conocimientos cruciales y precisos acerca de materiales tanto líquidos como sólidos a fin de proporcionar información para una manufactura aditiva exitosa.

Si bien la manufactura aditiva presenta nuevas oportunidades de eficiencia y formas únicas, la creación de un producto perfecto enfrenta diversos obstáculos.

Durante la manufactura aditiva, el polímero se funde y pasa a estado fundido y se extruye a través de las líneas y la boquilla de una impresora 3D. Por ende, el polímero debe fluir libremente, lo cual requiere la viscosidad más baja posible. No obstante, el polímero debe retener su forma inmediatamente después de la extrusión y no deformarse durante el enfriamiento. Lukas Schwab, especialista en aplicaciones de Waters – TA Instruments, señala que el material utilizado en la impresión 3D requiere un balance preciso entre la viscosidad, una característica de la fluidez de un líquido, y la elasticidad de un sólido.

La impresión 3D implica aplicar presión a un polímero a través de un dado delgado. Puede ocurrir un fenómeno conocido como “expansión del filamento”, donde inmediatamente al salir del dado el diámetro del filamento de polímero aumenta ligeramente en comparación con el diámetro del dado de formado. La magnitud del cambio en el diámetro se puede examinar con un reómetro. Predecir y medir la expansión del filamento ayuda a los fabricantes a asegurar la precisión de su producto impreso en 3D.

La incorporación de materiales reciclados plantea otro reto para los fabricantes de polímeros. Los plásticos usados a menudo contienen residuos de aditivos, colores y rellenos que pueden afectar la calidad y la procesabilidad de un material fundido, así como su comportamiento durante la manufactura. En consecuencia, el procesamiento y el producto final de los plásticos reciclados pueden ser difíciles de predecir. Por consiguiente, los bioplásticos requieren un análisis detallado del material.

A pesar de estas posibles alteraciones e incertidumbres, los fabricantes aún pueden llevar a cabo un sólido control y aseguramiento anticipados de la calidad del producto. Dos perspectivas de consideración analítica son clave:

• La interacción de todos los componentes del material utilizados en el producto.
• Los parámetros de procesamiento necesarios, incluidos temperatura, presión y caudal.

En su seminario web, Marco Coletti, especialista en aplicaciones y soporte de Waters, explica cómo se pueden optimizar los procesos de impresión 3D y manufactura aditiva con la ayuda de estudios reológicos.

El uso de reómetros correspondientemente potentes y de alta precisión hace posible, explica Lukas Schwab, determinar las propiedades reológicas, lo cual es una parte importante de la caracterización del material.

“Empero, especialmente en el caso de sustancias líquidas como polímeros fundidos, entender y predecir las propiedades reológicas puede consumir demasiado tiempo sin la instrumentación adecuada”, dice el especialista en aplicaciones de Waters. El comportamiento de una muestra a menudo varía dependiendo de la magnitud de las fuerzas que actúan sobre ella, lo que significa que “el comportamiento de flujo y deformación de una muestra se puede predecir solo vagamente por medio de la experimentación, o determinar con mayor precisión mediante la reología”.

Los Reómetros Híbridos Discovery (Discovery Hybrid Rheometers, DHR) son plataformas de análisis versátiles para reología. Equipados con la última tecnología patentada y sumamente fácil de usar, las mediciones con control directo de tensión o deformación así como las especificaciones de fuerza axial se realizan fácilmente.

Las mediciones reológicas se llevan a cabo con reómetros. Un reómetro mide la deformación de un material (líquido o sólido) cuando se le aplica una fuerza. La combinación de comportamiento de tensión, deformación y corte constituye la base de la reología, la ciencia de la deformación de los materiales.

Para mediciones reológicas rotacionales, la muestra se coloca en un cilindro entre dos placas redondas y se prensan juntas. A continuación, se gira una de las placas, por ejemplo, a velocidad y dirección definidas. Lukas Schwab explica que “las mediciones de rotación son idóneas para determinar la viscosidad de un material y por consiguiente su capacidad de bombeo y procesamiento, por ejemplo, en impresión 3D”.

Por el contrario, las mediciones de oscilación, en las que una de las dos placas se mueve hacia adelante y hacia atrás de manera sinusoidal con una amplitud pequeña, brindan más información acerca de la estructura de equilibrio de la muestra y por consiguiente se usan más para determinar las propiedades del material. Las mediciones de oscilación ayudan a encontrar respuestas a preguntas sobre el peso molecular de diferentes lotes de productos o el comportamiento de un material cuando se expone a fuerzas bajas.

La viscosidad o viscoelasticidad de un material generalmente se determina con la ayuda de la reometría, resume Lukas Schwab: “La viscosidad, como una medida de la resistencia al flujo causada por la fricción interna, depende de las propiedades microscópicas del sistema, como el tamaño de las partículas. A su vez, la viscoelasticidad es una medida de las propiedades de un material en respuesta a una fuerza deformante. En un material puramente elástico no hay disipación de energía después de que se ha aplicado una carga; posteriormente, en un material viscoelástico, hay cierto cambio del efecto (histéresis) sobre el comportamiento tensión-deformación debido a la deformación del material”.

Las mediciones reológicas se utilizan en muchos procesos de producción como medio de control de calidad, puesto que el comportamiento viscoelástico indeseable puede llevar a un rendimiento inadecuado y fragilidad del material, explica Lukas Schwab. La viscoelasticidad también se puede utilizar para determinar la durabilidad y el comportamiento de descomposición termomecánica de los sólidos.

La medición de todas las propiedades necesarias (viscosidad, peso molecular, comportamiento del material y viscoelasticidad) puede parecer abrumadora, pero el Reómetro Híbrido Discovery tiene la capacidad singular de proporcionar una imagen completa de los materiales poliméricos fundidos o sólidos con una precisión y facilidad de uso líderes en la industria.

Visite nuestra página de aplicaciones de polímeros para obtener más información sobre otros tipos de análisis de materiales para la producción sostenible y eficiente de polímeros. Asimismo, comuníquese con TA Instruments para conectarse con expertos en análisis de materiales de polímeros.