Impresión 3D cerámica de densidad variable controlada

Abstract

(English) This doctoral thesis aims to develop an Additive Manufacturing technique for the production of Ceramic Building Elements with controlled variable density. The research seeks to provide an alternative to the currently available building elements in the construction industry, focusing on the design of construction elements with specific characteristics through the manipulation of porosity.

The hypothesis suggests that Additive Manufacturing technologies can be used to produce ceramic materials with controlled variable density, which could replace conventional systems composed of ceramics and complementary layers of different materials. Unlike other works, this proposal allows for the establishment of pore size and connectivity.

The work methodology is divided into two complementary parts. On one hand, it focuses on developing the manufacturing means, including hardware and software, while on the other hand, it studies the resulting product, namely, the printed ceramics with variable density. A research, design, and construction process are carried out, which includes different steps such as studying the state of the art in additive manufacturing and materials with gradient function, selecting and constructing a 3D printer, developing a clay extrusion system adapted to the machine, calibrating the manufacturing process, defining porosity limits, creating design strategies, and manufacturing demonstration pieces.

The results of this research will have broader implications in the field of architecture and construction. The additive manufacturing technique with controlled variable density will enable the creation of mono-material systems with improved properties, opening new possibilities in the design and construction of building elements. Furthermore, the use of a single constituent material with density variations can contribute to optimizing the management of construction waste and reducing the environmental impact of the industry. This research can also drive the advancement of additive manufacturing in producing materials with gradient function in various sectors, including aerospace and materials engineering.

In summary, this doctoral thesis aims to develop an Additive Manufacturing technique for producing Ceramic Building Elements with controlled variable density. The methodology is based on research, design, and construction of manufacturing means, as well as the study of the resulting product. The results of this research will have implications in the design and construction of building elements, as well as in the advancement of additive manufacturing in other industrial sectors.

(Català) Aquesta tesi doctoral es centra en el desenvolupament d'una tècnica de Fabricació Additiva per a la producció d'Elements Constructius Ceràmics amb densitat variable controlada. L'objectiu principal és proporcionar una alternativa als elements constructius convencionals mitjançant la manipulació de la porositat.

La hipòtesi plantejada sosté que les tecnologies de Fabricació Additiva poden ser emprades per produir materials ceràmics amb densitat variable controlada, la qual cosa podria substituir els sistemes tradicionals compostos per ceràmica i capes complementàries de diferents materials. Una contribució original d'aquest treball radica en la capacitat d'establir la mida i la connectivitat dels porus.

La metodologia emprada es divideix en dues parts complementàries. En primer lloc, es centra en el desenvolupament dels mitjans de fabricació, incloent maquinari i programari. En segon lloc, s'estudia el producte resultant, és a dir, la ceràmica impresa amb densitat variable. El procés abarca diferents etapes, com ara l'estudi de l'estat de l'art en fabricació additiva i materials amb funció gradient, la selecció i construcció d'una impressora 3D, el desenvolupament d'un sistema d'extrusió d'argiles adaptat a la màquina, la calibració del procés de fabricació, la definició de límits de porositat, la creació d'estratègies de disseny i la fabricació de peces de demostració.

Els resultats d'aquesta investigació tindran implicacions significatives en el camp de l'arquitectura i la construcció. La tècnica de fabricació additiva amb densitat variable controlada permetrà la creació de sistemes mono-materials amb propietats millorades, obrint noves possibilitats en el disseny i la construcció d'elements constructius. A més, l'ús d'un sol material amb variacions de densitat pot contribuir a l'optimització de la gestió de residus de construcció i reduir l'impacte ambiental de la indústria. Així mateix, aquesta investigació pot impulsar l'avanç de la fabricació additiva en la producció de materials amb funció gradient en diversos sectors, com ara l'aeronàutica i l'enginyeria de materials.

En resum, aquesta tesi doctoral busca desenvolupar una tècnica de Fabricació Additiva per a la producció d'Elements Constructius Ceràmics amb densitat variable controlada. La metodologia es basa en la investigació, disseny i construcció dels mitjans de fabricació, així com en l'estudi del producte resultant. Els resultats obtinguts tindran implicacions en el disseny i la construcció d'elements constructius, així com en l'avanç de la fabricació additiva en altres sectors industrials.

(Español) La presente tesis doctoral se enfoca en el desarrollo de una técnica de Fabricación Aditiva para la producción de Elementos Constructivos Cerámicos con densidad variable controlada. El objetivo principal es proporcionar una alternativa a los elementos constructivos convencionales mediante la manipulación de la porosidad.

La hipótesis planteada sostiene que las tecnologías de Fabricación Aditiva pueden emplearse para producir materiales cerámicos con densidad variable controlada, lo cual podría reemplazar los sistemas tradicionales compuestos por cerámica y capas complementarias de diferentes materiales. Una contribución original de este trabajo radica en la capacidad de establecer el tamaño y la conectividad de los poros.

La metodología empleada se divide en dos partes complementarias. En primer lugar, se enfoca en el desarrollo de los medios de fabricación, incluyendo hardware y software. En segundo lugar, se estudia el producto resultante, es decir, la cerámica impresa con densidad variable. El proceso abarca diferentes etapas, tales como el estudio del estado del arte en fabricación aditiva y materiales con función gradiente, la selección y construcción de una impresora 3D, el desarrollo de un sistema de extrusión de arcillas adaptado a la máquina, la calibración del proceso de fabricación, la definición de límites de porosidad, la creación de estrategias de diseño y la fabricación de piezas de demostración.

Los resultados de esta investigación tendrán implicaciones significativas en el campo de la arquitectura y la construcción. La técnica de fabricación aditiva con densidad variable controlada permitirá la creación de sistemas mono-materiales con propiedades mejoradas, abriendo nuevas posibilidades en el diseño y la construcción de elementos constructivos. Además, el uso de un solo material con variaciones de densidad puede contribuir a la optimización del manejo de residuos de construcción y reducir el impacto ambiental de la industria. Asimismo, esta investigación puede impulsar el avance de la fabricación aditiva en la producción de materiales con función gradiente en diversos sectores, como la aeronáutica y la ingeniería de materiales.

En resumen, esta tesis doctoral busca desarrollar una técnica de Fabricación Aditiva para la producción de Elementos Constructivos Cerámicos con densidad variable controlada. La metodología se basa en la investigación, diseño y construcción de los medios de fabricación, así como en el estudio del producto resultante. Los resultados obtenidos tendrán implicaciones en el diseño y la construcción de elementos constructivos, así como en el avance de la fabricación aditiva en otros sectores industriales.