Procesamiento mediante extrusión de material del termoplástico híbrido PLA/PHB: caracterización mecánica

Abstract

(English) In this thesis, the mechanical behavior of parts manufactured by Material Extrusion Modeling (MEX) has been evaluated, using a copolimer of polylactic acid (PLA) and polyhydroxybutyrate (PHB), commercially known as NonOilen. The objective was to analyze how the addition of PHB affects the mechanical properties of pure PLA and how the printing parameters influence these properties. To do so, compression and rotational fatigue tests were performed, using the design of experiments methodology to optimize these parameters.In addition, the performance of NonOilen was compared with pure PLA and with Timberfill, a PLA-wood composite material. The viscoelastic behavior of NonOilen was also studied, and the experimental data were adjusted to a viscoelastic model based on a three-term Prony series, in order to evaluate its influence on the apparent Young's modulus.The results showed that, although the addition of PHB reduces the stiffness and strength of the material compared to pure PLA, it improves its impact resistance and decreases fragility. Optimizing printing parameters such as extruder diameter and infill density was critical to maximizing the mechanical performance of the material. The design of experiments allowed identifying optimal printing configurations for different applications. For example, to achieve high compressive strength, a small layer height and a large extruder diameter were the best configuration, while for higher fatigue strength, higher layer heights and lower printing speeds were recommended.The study of the viscoelastic behavior of NonOilen underlined the importance of selecting the appropriate printing orientation to maximize the durability of the parts. As for the comparison with pure PLA, it demonstrated greater strength in compression and fatigue tests, with a 35% higher Young's modulus and a 40% higher yield strength than NonOilen. However, the addition of PHB made NonOilen more impact resistant and less brittle, being more appropriate for applications requiring energy absorption. In the rotary fatigue tests, the Wöhler curves of both materials showed differences due to the copolymer structure of NonOilen, whose fatigue resistance was lower than that of pure PLA. Still, its higher resistance to deformation makes it competitive in applications where toughness is a priority.When comparing NonOilen with Timberfill, it was observed that NonOilen surpassed Timberfill in stiffness and strength, presenting a 20% higher Young's modulus and a 35% higher yield strength. However, Timberfill resisted more load cycles in the rotary fatigue tests, suggesting that this material is more suitable for situations that demand greater durability under cyclic loads.In summary, although pure PLA presented better results in stiffness and strength, the combination of PHB and PLA in NonOilen offers an interesting balance, improving impact resistance and reducing brittleness. Optimizing printing parameters is essential to adjust the material properties to the specific needs of each application.Finally, the work carried out in this thesis has allowed not only to characterize the mechanical properties of NonOilen in comparison with other commercial materials, but also to highlight its viability as an ecological and competitive alternative, especially in applications where biodegradability and impact resistance are prioritized. The improvements introduced in the methods of viscoelastic analysis and in the 3D printing optimization process have contributed to a better understanding of the behavior of the material under different conditions of use.

(Català) En aquesta tesi s'ha avaluat el comportament mecànic de peces fabricades mitjançant Modelat per Extrusió de Material (MEX), utilitzant un copolímer d'àcid polilàctic (PLA) i polihidroxibutirat (PHB), comercialment conegut com a NonOilen. L'objectiu va ser analitzar com l'addició del PHB afecta les propietats mecàniques del PLA i com els paràmetres d'impressió influeixen en aquestes propietats. Per fer-ho, es van fer assajos de compressió i fatiga rotativa, utilitzant la metodologia de disseny d'experiments per optimitzar aquests paràmetres.A més, es va comparar el rendiment del NonOilen amb PLA pur i amb Timberfill, un material compost de PLA-fusta. També es va estudiar el comportament viscoelàstic del NonOilen, i es van ajustar les dades experimentals a un model viscoelàstic basat en una sèrie de Prony de tres termes, per tal d'avaluar-ne la influència en el mòdul de Young aparent.Els resultats van mostrar que, encara que l'addició de PHB redueix la rigidesa i la resistència del material en comparació amb el PLA pur, en millora la resistència a l'impacte i en disminueix la fragilitat. L'optimització dels paràmetres d'impressió, com ara el diàmetre de l'extrusor i la densitat de ompliment, va ser fonamental per maximitzar el rendiment mecànic del material. El disseny d'experiments permet identificar configuracions d'impressió òptimes per a diferents aplicacions. Per exemple, per aconseguir alta resistència a la compressió, la millor configuració va ser una petita alçada de capa i un gran diàmetre d'extrusor, mentre que, per a més resistència a la fatiga, es van recomanar alçades més grans de capa i velocitats d'impressió més baixes.L'estudi del comportament viscoelàstic del NonOilen va subratllar la importància de seleccionar l'orientació d'impressió adequada per maximitzar la durabilitat de les peces. Pel que fa a la comparació amb PLA pur, aquest últim va demostrar tenir una major resistència als assajos de compressió i fatiga, amb un mòdul de Young un 35% més gran i un límit elàstic un 40% superior al de NonOilen. Tot i això, l'addició de PHB va fer al NonOilen més resistent a l'impacte i menys fràgil, sent més apropiat per a aplicacions que requereixen absorció d'energia.En els assajos de fatiga rotativa, les corbes de Wöhler d'ambdós materials van mostrar diferències a causa de l'estructura copolímera de NonOilen, la resistència de la qual a la fatiga va resultar inferior a la del PLA pur. Tot i així, la seva major resistència a la deformació el fa competitiu en aplicacions on es prioritzi la tenacitat.En comparar NonOilen amb Timberfill, es va observar que NonOilen va superar Timberfill en rigidesa i resistència, presentant un mòdul de Young un 20% més gran i un límit elàstic un 35% superior. No obstant això, Timberfill va resistir més cicles de càrrega als assajos de fatiga rotativa, cosa que suggereix que aquest material és més adequat per a situacions que exigeixin més durabilitat davant de càrregues cícliques.En resum, encara que el PLA pur va presentar millors resultats en rigidesa i resistència, la combinació de PHB i PLA a NonOilen ofereix un equilibri interessant, millorant la resistència a l'impacte i reduint la fragilitat. L'optimització dels paràmetres d'impressió és essencial per ajustar les propietats del material a les necessitats específiques de cada aplicació.Finalment, el treball realitzat en aquesta tesi ha permès no només caracteritzar les propietats mecàniques del NonOilen en comparació amb altres materials comercials, sinó també destacar-ne la viabilitat com una alternativa ecològica i competitiva, especialment en aplicacions on es prioritzen la biodegradabilitat i la resistència a l'impacte . Les millores introduïdes en els mètodes d'anàlisi viscoelàstic i en el procés d'optimització de la impressió 3D han contribuït a una entesa millor del comportament del material sota diferents condicions d'ús.

(Castellà) En esta tesis se ha evaluado el comportamiento mecánico de piezas fabricadas mediante Modelado por Extrusión de Material (MEX), utilizando una mezcla de ácido poliláctico (PLA) y polihidroxibutirato (PHB), comercialmente conocida como NonOilen. El objetivo fue analizar cómo la adición de PHB afecta las propiedades mecánicas del PLA y cómo los parámetros de impresión influyen en estas propiedades. Para ello, se realizaron ensayos de compresión y fatiga rotativa, utilizando la metodología de diseño de experimentos para optimizar dichos parámetros.Además, se comparó el rendimiento de NonOilen con PLA puro y con Timberfill, un material compuesto de PLA-madera. También se estudió el comportamiento viscoelástico del NonOilen, y se ajustaron los datos experimentales a un modelo viscoelástico basado en una serie de Prony de tres términos, con el fin de evaluar su influencia en el módulo de Young aparente.Los resultados mostraron que, aunque la adición de PHB reduce la rigidez y resistencia del material en comparación con PLA puro, mejora su resistencia al impacto y disminuye la fragilidad. La optimización de los parámetros de impresión, como el diámetro del extrusor y la densidad de relleno, fue fundamental para maximizar el rendimiento mecánico del material. El diseño de experimentos permitió identificar configuraciones de impresión óptimas para diferentes aplicaciones. Por ejemplo, para lograr alta resistencia a la compresión, la mejor configuración fue una pequeña altura de capa y un gran diámetro de extrusor, mientras que, para una mayor resistencia a la fatiga, se recomendaron mayores alturas de capa y velocidades de impresión más bajas.El estudio del comportamiento viscoelástico del NonOilen subrayó la importancia de seleccionar la orientación de impresión adecuada para maximizar la durabilidad de las piezas. En cuanto a la comparación con PLA puro, este último demostró tener una mayor resistencia en los ensayos de compresión y fatiga, con un módulo de Young un 35% mayor y un límite elástico un 40% superior al de NonOilen. Sin embargo, la adición de PHB hizo al NonOilen más resistente al impacto y menos frágil, siendo más apropiado para aplicaciones que requieren absorción de energía.En los ensayos de fatiga rotativa, las curvas de Wöhler de ambos materiales mostraron diferencias debido a la estructura copolímera de NonOilen, cuya resistencia a la fatiga resultó inferior a la del PLA puro. Aun así, su mayor resistencia a la deformación lo hace competitivo en aplicaciones donde se priorice la tenacidad.Al comparar NonOilen con Timberfill, se observó que NonOilen superó a Timberfill en rigidez y resistencia, presentando un módulo de Young un 20% mayor y un límite elástico un 35% superior. Sin embargo, Timberfill resistió más ciclos de carga en los ensayos de fatiga rotativa, lo que sugiere que este material es más adecuado para situaciones que exijan mayor durabilidad ante cargas cíclicas.En resumen, aunque el PLA puro presentó mejores resultados en rigidez y resistencia, la combinación de PHB y PLA en NonOilen ofrece un equilibrio interesante, mejorando la resistencia al impacto y reduciendo la fragilidad. La optimización de los parámetros de impresión es esencial para ajustar las propiedades del material a las necesidades específicas de cada aplicación.Finalmente, el trabajo realizado en esta tesis ha permitido no solo caracterizar las propiedades mecánicas del NonOilen en comparación con otros materiales comerciales, sino también destacar su viabilidad como una alternativa ecológica y competitiva, especialmente en aplicaciones donde se priorizan la biodegradabilidad y la resistencia al impacto. Las mejoras introducidas en los métodos de análisis viscoelástico y en el proceso de optimización de la impresión 3D han contribuido a un mejor entendimiento del comportamiento del material bajo diferentes condiciones de uso.