UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA UNIDAD DE POSGRADOS MAESTRÍA EN MÉTODOS MATEMÁTICOS Y SIMULACIÓN NUMÉRICA EN INGENIERÍA Proyecto de Investigación y Desarrollo previo a la Obtención de Grado de Magister en Métodos Matemáticos y Simulación Numérica en Ingeniería SIMULACIÓN DE TERMOFLUIDOS DE PLA NATURAL Y ABS EN EL PROCESO DE IMPRESIÓN EN 3D Autores: Adrián Eugenio Ñauta Ñauta Marcelo Roberto Vergara Idrovo Director: Christian Mauricio Cobos Maldonado SIMULACIÓN DE TERMOFLUIDOS DE PLA NATURAL Y ABS EN EL PROCESO DE IMPRESIÓN EN 3D SIMULACIÓN DE TERMOFLUIDOS DE PLA NATURAL Y ABS EN EL PROCESO DE IMPRESIÓN EN 3D ADRIÁN EUGENIO ÑAUTA ÑAUTA Ingeniero Industrial Magister en Gestión Tecnológica Egresado de la Maestría en Métodos Matemáticos y Simulación Numérica en Ingeniería MARCELO ROBERTO VERGARA IDROVO Ingeniero Mecánico Diploma Superior en Investigación Socioeducativa Magister en Educación Egresado de la Maestría en Métodos Matemáticos y Simulación Numérica en Ingeniería Dirigido por: CHRISTIAN MAURICIO COBOS MALDONADO Ingeniero Mecánico Master Universitario en Diseño y Fabricación integrada asistidos por Computador Unidad de Posgrados Cuenca - Ecuador Datos de Catalogación Bibliográfica ADRIÁN EUGENIO ÑAUTA ÑAUTA y MARCELO ROBERTO VERGARA IDROVO Simulación de Termofluidos de PLA Natural y ABS en el proceso de Impresión en 3D Universidad Politécnica Salesiana Cuenca - Ecuador, 2017 Maestría en Métodos Matemáticos y Simulación Numérica en Ingeniería Formato 170 x 240 Páginas 104 Breve reseña de los autores e información de contacto: Adrián Eugenio Ñauta Ñauta Ingeniero Industrial Magister en Gestión Tecnológica Egresado de la Maestría en Métodos Matemáticos y Simulación Numérica en Ingeniería [email protected] Marcelo Roberto Vergara Idrovo Ingeniero Mecánico Diplomado Superior en Investigación Socioeducativa Magister en Educación Egresado de la Maestría en Métodos Matemáticos y Simulación Numérica en Ingeniería [email protected] Dirigido por: Christian Mauricio Cobos Maldonado Ingeniero Mecánico Master Universitario en Diseño y Fabricación integrada asistidos por Computador [email protected] Todos los derechos reservados. Queda prohibida, salvo excepción prevista en la ley, cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública y transformación de esta obra, para fines comerciales, sin contar con la autorización de los titulares de propiedad intelectual. La infracción de los derechos mencionados puede ser constituida de delito contra la propiedad intelectual. Se permite la libre difusión de este texto con fines académicos o investigativos por cualquier medio, con la debida notificación de los autores. DERECHOS RESERVADOS ©2017 Universidad Politécnica Salesiana CUENCA – ECUADOR - -SUDAMÉRICA ADRIÁN EUGENIO ÑAUTA ÑAUTA y MARCELO ROBERTO VERGARA IDROVO Simulación de Termofluidos de PLA Natural y ABS en el proceso de Impresión en 3D. Edición y Producción: Adrián Ñauta y Marcelo Vergara ÍNDICE GENERAL ÍNDICE GENERAL .............................................................................................. I ÍNDICE DE FIGURAS ........................................................................................ V DEDICATORIA..................................................................................................XI DEDICATORIA............................................................................................... XIII PREFACIO ....................................................................................................... XV AGRADECIMIENTO ...................................................................................... XIX RESUMEN ....................................................................................................... XXI 1. Introducción. .................................................................................................... 3 1.1 Marco teórico del sistema de impresión tridimensional. ................................. 4 1.2. Sistemas de prototipado rápido. ..................................................................... 6 1.2.1 Sistemas de impresión 3D. .......................................................................7 1.2.2 Impresoras 3D por Estereolitografía (SLA). ............................................7 1.2.3 Impresoras 3D de Sinterización Selectiva por Láser. ...............................8 1.2.4 Impresoras 3D por Inyección. ..................................................................9 1.2.5 Impresión por deposición de material fundido (FDM). ............................9 1.3 Aplicaciones de la impresión 3D...............................................................10 1.4 Tecnología de Modelado por Deposición Fundida (FDM). .......................... 11 1.4.1 Fabricación de filamentos para procesamiento FDM. ............................11 1.5 Materiales utilizados en la impresora 3D por deposición de material fundido. ............................................................................................................... 11 1.5.1 Acrilonitrilo Butadieno Estireno (ABS). ................................................12 1.5.1.1 Detalles del producto ABS. .................................................................12 1.5.2 Ácido Poliláctico (PLA). ........................................................................13 1.5.2.1 Detalles del producto PLA. .................................................................14 1.6 Proceso de impresión. ................................................................................... 15 1.7 Proceso de Simulación. ................................................................................. 17 1.7.1 Computational Fluid Dynamics. ............................................................17 1.7.2 Simulación de CFD para todos los ingenieros. ......................................17 I 1.7.3 Más soluciones de CFD. .........................................................................17 1.7.4 Solucionar problemas de fluidos complejos. ..........................................17 1.7.5 Tomar mejores y más rápidas decisiones. ..............................................17 1.8 Elementos que intervienen en la simulación. ................................................ 18 1.8.1 Impresora BCN3D+ y sus componentes. ...............................................18 1.9 Preparación del proceso de impresión BCN3D+. ......................................... 22 1.9.1 Establecer conceptualmente las condiciones de contorno del proceso de simulación. ......................................................................................................23 1.10 Modelo de Cross-WLF. ............................................................................... 25 1.10.1 Condiciones De Contorno – Dominio. .................................................25 1.10.2 Condición De Entrada. .........................................................................26 1.10.3 Calculo de temperatura en la barrera térmica. ......................................26 1.10.3.1 Convección Natural. ..........................................................................27 1.11 El número de Grashof. ................................................................................ 27 1.12 El número de Nusselt. ................................................................................. 29 2. Diseño e Implementación. ............................................................................... 33 2.1 Diseño – Levantamiento de Geometría. ........................................................ 33 2.2 Geometría ANSYS R16.2 Academic módulo Design Modeler. ................... 35 2.3 Mallado. ........................................................................................................ 37 2.3.1 Estadisticas: ............................................................................................39 3. Ejecución de Experimentos. ............................................................................ 45 3.1 Preproceso. .................................................................................................... 45 3.1.1 Condiciones de contorno para el proceso de simulación de impresión 3D. .........................................................................................................................45 3.1.2 Reometría de los filamentos PLA y ABS. ..............................................46 3.1.2.1 PLA: Temperatura empleada 210°C. ..................................................48 3.1.2.2 ABS: Temperatura empleada es 240 °C. .............................................50 3.1.3 Calculo de peso molecular de los materiales. .........................................53 3.1.4 Calculo flujo másico del PLA y ABS. ...................................................53 3.1.5 Características del filamento PLA y ABS. .............................................56 3.1.6 Condiciones de Frontera. ........................................................................56 II 3.1.6.1 Condiciones de frontera (PLA). ..........................................................56 3.1.6.2 Condiciones de frontera (ABS). ..........................................................58 3.1.7 Temperatura de ingreso del filamento. ...................................................60 3.1.7.1 Temperatura de entrada del PLA. ........................................................60 3.1.7.2 Temperatura de entrada del ABS. .......................................................61 3.1.8 Ensayo Termográfico. ............................................................................61 3.1.8.1 Calculo de convección hacia el exterior de la barrera térmica. ...........61 3.1.8.2 Cálculo de conducción entra la barrera térmica y el filamento. ......63 3.1.9 Ensayo de temperatura de salida de impresión del filamento ................64 3.1.9.1 Temperatura de Salida de impresión del filamento PLA. ...................64 3.1.9.2 Temperatura de Salida de impresión del filamento ABS. ...................65 3.2 Simulación. .................................................................................................... 66 3.2.1 Desplazamiento del filamento dentro del dominio por medio de simulación ANSYS R16.2 Academic. ............................................................66 3.2.2 Comportamiento de la temperatura del filamento PLA y ABS por medio de simulación ANSYS R16.2 Academic. ........................................................70 3.2.3. Comportamiento de la temperatura del filamento PLA y ABS por superficies mediante de simulación ANSYS R16.2 Academic. ......................72 3.2.4 Comportamiento de la Temperatura de los elementos que interactúan en la impresión por medio de simulación ANSYS R16.2 Academic. ..................73 3.2.5 Determinación de la temperatura de salida por medio de simulación ANSYS R16.2 Academic. ...............................................................................74 3.2.6 Comportamiento y determinación de la velocidad de ingreso y salida del filamento PLA y ABS. ....................................................................................75 3.3 Caracterización Morfológica. ........................................................................ 77 3.3.1 Configuración del prototipo: ..................................................................77 3.3.2 Caracterización dimensional. .................................................................79 3.3.2.1 Relación entre la Temperatura y la Geometría – PLA. .......................80 3.3.2.2 Relación entre la Temperatura y la Geometría – ABS ........................81 3.3.3 Caracterización de rugosidad. ................................................................82 3.3.3.1 Rugosidad – PLA. ...........................................................................82 3.2.3.2 Rugosidad – ABS. ...........................................................................83 III 3.3.4 Caracterización de la velocidad de impresión. .......................................84 3.3.4.1 Análisis del PLA. ................................................................................84 3.3.4.2 Análisis del ABS. ............................................................................85 4. Resultados y Conclusiones. ............................................................................. 89 4.1 Resultados de simulación. .....................................................................89 4.4 Trabajos futuros. ....................................................................................91 IV