ES2551283B2 - Procedure for preparing starting materials for additive manufacturing - Google Patents

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ES2551283B2 ES201400404A ES201400404A ES2551283B2 ES 2551283 B2 ES2551283 B2 ES 2551283B2 ES 201400404 A ES201400404 A ES 201400404A ES 201400404 A ES201400404 A ES 201400404A ES 2551283 B2 ES2551283 B2 ES 2551283B2
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Abstract

Procedimiento de elaboración de materiales de partida para fabricación aditiva de base polimérica con adición de componentes nanoestructurados, consistente en dos procesos secuenciales: recubrimiento mecánico superficial de la matriz polimérica biodegradable con nanoaditivos por molienda de bolas, seguido de una mezcla en fundido por extrusión.#Con este procedimiento se obtiene un filamento de material nanocompuesto de aplicación directa como material de partida en procesos de fabricación aditiva mediante modelado por deposición de fundido.Process for preparing starting materials for additive manufacturing of polymer base with the addition of nanostructured components, consisting of two sequential processes: surface mechanical coating of the biodegradable polymer matrix with nanoadditives by ball grinding, followed by extrusion melt mixing. # With this procedure, a nanocomposite filament of direct application is obtained as a starting material in additive manufacturing processes by means of melt deposition modeling.

Description

PROCEDIMIENTO DE ELABORACIÓN DE MATERIALES DE PARTIDA PARA FABRICACIÓN ADITIVA. PROCEDURE FOR THE PREPARATION OF STARTING MATERIALS FOR ADDITIVE MANUFACTURING.

SECTOR DE LA TÉCNICA SECTOR OF THE TECHNIQUE

La invención descrita comprende tanto un procedimiento de elaboración de materiales como algunos productos desarrollados por el mismo. El procedimiento incluye el recubrimiento superficial mediante detenninados aditivos, con al menos una de sus dimensiones en el orden nanométrico, de un material de base polimérica y su ulterior mezclado en fundido y extrusión. La aplicación de este procedimiento de elaboración proporciona como resultado un filamento de material, útil para su aplicación en máquinas de fabricación aditiva como material de partida The described invention comprises both a process of manufacturing materials and some products developed by it. The process includes the surface coating by means of additive trimmings, with at least one of its dimensions in the nanometric order, of a polymer-based material and its subsequent melt mixing and extrusion. The application of this manufacturing process provides as a result a filament of material, useful for application in additive manufacturing machines as starting material

La invención puede encuadrarse dentro del campo de investigación en materiales, más concretamente en el área de nanomateriales, puesto que los aditivos empleados tienen carácter de nanoaditivos de acuerdo a lo expresado ut supra. En el contexto de la investigación actual en materiales para fabricación aditiva, la presente invención procurará materiales con distintas propiedades que mejoran las de aquellos que se emplean convencionalmente. Lo que será de aplicación en la fabricación industrial vinculada al sector aeronáutico y de bienes de consumo, entre otros sectores. The invention can be framed within the field of materials research, more specifically in the area of nanomaterials, since the additives used are nanoadditive in accordance with what is expressed above. In the context of current research in materials for additive manufacturing, the present invention will procure materials with different properties that improve those of those that are conventionally used. What will be applicable in industrial manufacturing linked to the aeronautical and consumer goods sector, among other sectors.

ESTADO DE LA TÉCNICA STATE OF THE TECHNIQUE

La invención que se describe en la presente memoria consiste en un procedimiento de elaboración de materiales para fabricación aditiva. El desarrollo de las técnicas de fabricación discurre paralelo a la necesidad de encontrar materiales cada vez más resistentes, confiables y duraderos al tiempo que económicos, recic1ables y respetuosos con el medio ambiente. En este sentido, la fabricación o síntesis aditiva comprende una serie de técnicas de fabricación industrial donde el principio fundamental consiste en elaborar, a partir de un modelo generado por diseño asistido por ordenador (3D-CAD), una pieza o elemento completo tridimensionales en un solo proceso. La base sobre la que estriba la fabricación aditiva es el crecimiento capa a capa del material: cada capa constituye una sección transversal de la pieza que se fabrica, de un espesor lo más The invention described herein consists of a process of manufacturing materials for additive manufacturing. The development of manufacturing techniques runs parallel to the need to find materials that are increasingly resistant, reliable and durable, while being economical, recyclable and environmentally friendly. In this sense, the manufacturing or additive synthesis comprises a series of industrial manufacturing techniques where the fundamental principle is to elaborate, from a model generated by computer-aided design (3D-CAD), a three-dimensional piece or complete element in a only process. The basis on which additive manufacturing is based is the layer-by-layer growth of the material: each layer constitutes a cross-section of the piece that is manufactured, of a thickness as much as

5 fino posible (Gibson, l.; Rosen, D. W.; Stucker, B. Additive manufacturing technologies: rapid prototyping to direct digital manufacturing; Springer, 2010). 5 possible fine (Gibson, l .; Rosen, D. W .; Stucker, B. Additive manufacturing technologies: rapid prototyping to direct digital manufacturing; Springer, 2010).

En virtud de lo antedicho, y con la intención de encontrar materiales con propiedades mejoradas para fabricación aditiva, deben considerarse las múltiples posibilidades que supone el campo de la nanotecnología: en efecto, las 10 propiedades macroscópicas de los materiales son muy variables en la escala nanométrica y ello la hace particularmente interesante a la hora de mejorar las propiedades de materiales convencionales fonnando nuevos materiales compuestos: los denominados nanocomposites o nanocompuestos (Haghi, A. K.; Zaikov, G. E. Update on Nanofillers in Nanooomposites: From Introduction to 15 Application; Smithers Rapra, 2013). En particular, los nanooomposites de base polimérica son materiales basados en una matriz de polímero que contiene estructuras de diversa naturaleza, oon la particularidad de que dichas estructuras poseen al menos una de sus dimensiones en el orden nanométrico (Raquez, J.-M.~ el al. Prog. Polym. Sci. 2013, 38, 1504), (Hussain, F., el al. J. Compos. Maler. 20 2006, 40, 1511). El propósito de la inclusión de estas estructuras es la mejora y optimización de las propiedades de la matriz, así, la adición de sustancias nanoparticuladas a matrices poliméricas presenta la ventaja de pennitir la manipulación de las propiedades de los objetos fabricados, a través del conocimiento y control de los procesos de fabricación y de la caracterización de By virtue of the above, and with the intention of finding materials with improved properties for additive manufacturing, the multiple possibilities of the nanotechnology field must be considered: in fact, the 10 macroscopic properties of materials are very variable on the nanometric scale and this makes it particularly interesting when it comes to improving the properties of conventional materials by creating new composite materials: the so-called nanocomposites or nanocomposites (Haghi, AK; Zaikov, GE Update on Nanofillers in Nanooomposites: From Introduction to 15 Application; Smithers Rapra, 2013 ). In particular, polymer-based nanooomposites are materials based on a polymer matrix that contains structures of different nature, with the particularity that these structures have at least one of their dimensions in the nanometric order (Raquez, J.-M. ~ al. Prog. Polym. Sci. 2013, 38, 1504), (Hussain, F., al. J. Compos. Maler. 20 2006, 40, 1511). The purpose of the inclusion of these structures is the improvement and optimization of the properties of the matrix, thus, the addition of nanoparticulate substances to polymeric matrices has the advantage of penetrating the manipulation of the properties of the manufactured objects, through knowledge and control of manufacturing processes and characterization of

25 los materiales, en un proceso de continua realimentación. 25 materials, in a process of continuous feedback.

Entre las técnicas principales de fabricación aditiva cabe destacar como más significativas el sinterizado láser selectivo, modelado por deposición de fundido y estereolitografia Cabe indicar que el ténnino "impresiÓn 3D" también se ha hecho muy popular a la hora de referirse a las técnicas de fabricación aditiva. El 30 sinterizado láser selectivo (del inglés Selective Laser Sintering, SLS), es una técnica de fabricación aditiva basada en la producción de piezas o partes de pieza a partir de material en fonna pulverulenta (Zheng, H., et al. Mater. Lett. 2006, 60, 1219), (Liu, F. R., el al. Intemational Journal ofMachine Tools and Manufacture 2013, 65, 22). El proceso SLS se basa en la fusión capa a capa de un pnlvo de 5 partida que se distribuye de forma homogénea sobre el área de trabajo. El polvo se alimenta a una cámara donde un haz láser se focaliza sobre el correspondiente lecho, de modo que se funde el material de acuerdo a un patrón según el que se obtiene una sección transversal de la pieza. El polvo que rodea esta sección se retira y se reaprovecha en las capas subsecuentes hasta completar la fabricación de Among the main techniques of additive manufacturing, the most significant is the selective laser sintering, melt deposition modeling and stereolithography. It should be noted that the teninino "3D printing" has also become very popular when referring to additive manufacturing techniques . Selective laser sintering (SLS) is an additive manufacturing technique based on the production of parts or pieces from material in powdery material (Zheng, H., et al. Mater. Lett . 2006, 60, 1219), (Liu, FR, al. International Journal of Marine Tools and Manufacture 2013, 65, 22). The SLS process is based on the layer-to-layer merger of a 5-part pnlvo that is distributed homogeneously over the work area. The powder is fed to a chamber where a laser beam is focused on the corresponding bed, so that the material melts according to a pattern according to which a cross section of the piece is obtained. The dust surrounding this section is removed and reused in subsequent layers until the manufacture of

10 la misma (Gibson, l.; Rosen, D. W.; Stucker, B. Additive manufacturing technologies: rapid prototyping to direct digital manufacturing; Springer, 2010). 10 the same (Gibson, l .; Rosen, D. W .; Stucker, B. Additive manufacturing technologies: rapid prototyping to direct digital manufacturing; Springer, 2010).

El modelado por deposición de fundido (del inglés Fused Deposition Modeling, FDM), es otra técnica en la que se hace pasar un filamento polimérico por una micro-extrusora para depositarlo capa a capa, pennitiéndose la solidificación de 15 cada una, hasta completar la pieza o parte de pieza diseñada (Gibson, l.; Rosen, D. Fused deposition modeling (Fused Deposition Modeling, FDM) is another technique in which a polymeric filament is passed through a micro-extruder to deposit it layer by layer, with solidification of 15 each, until completing the piece or part of designed piece (Gibson, l .; Rosen, D.

W.j Stucker, B. Additive manufacturing technologies: rapid prototyping to direct digital manufacturing; Springer, 2010). Los filamentos utilizados se obtienen mediante un proceso de extrusión en el que se hace uso de determinados materiales de partida, usualmente en forma granulada o pellet. W.j Stucker, B. Additive manufacturing technologies: rapid prototyping to direct digital manufacturing; Springer, 2010). The filaments used are obtained by means of an extrusion process in which certain starting materials are used, usually in granulated form or pellet.

20 La estereolitografia es una técnica por la que una pieza tridimensional es generada por la deposición capa a capa, en este caso de una resina, en un proceso de fotopolimerización: un haz láser UV se mueve de acuerdo a un patrón controlado por ordenador para realizar la antedicha deposición (Sánchez-Salcedo, S. et al. Chem. Eng. J. Amsterdam, Nelh. 2008, 137, 62). 20 Stereolithography is a technique whereby a three-dimensional piece is generated by layer-to-layer deposition, in this case of a resin, in a photopolymerization process: a UV laser beam moves according to a computer-controlled pattern to perform the above deposition (Sánchez-Salcedo, S. et al. Chem. Eng. J. Amsterdam, Nelh. 2008, 137, 62).

25 Los materiales para fabricación aditiva pueden clasificarse según la metodología empleada para su elaboración. Así, entre las diversas técnicas descritas en la bibliografia, cabe destacar las siguientes, agrupadas por su carácter fisico o quimico: 25 Materials for additive manufacturing can be classified according to the methodology used for their preparation. Thus, among the various techniques described in the bibliography, it is worth highlighting the following, grouped by their physical or chemical character:

Vía química Chemical route

--
Solución de precursores: Los nanoaditivos, funcionalizados o no según convenga para favorecer la dispersión (Raquez, J.-M., et al. Prog. Polym. Sci. 2013, 38, 1504), son introducidos en solución junto al polímero~ previamente 5 solubilizado, y los catalizadores requeridos en cada caso (Shameli, K., et al. Int. J. Solution of precursors: The nanoadditives, functionalized or not as appropriate to favor dispersion (Raquez, J.-M., et al. Prog. Polym. Sci. 2013, 38, 1504), are introduced into solution together with the polymer ~ previously 5 solubilized, and the catalysts required in each case (Shameli, K., et al. Int. J.

Nanomed. 2010, 5, 573), (Fortunali, E., el al. J. Food Eng. 2013, 118, 117), (Pillai, S. K., el al. J. Appl. Polym. Sci. 2013, 129, 362). Nanomed 2010, 5, 573), (Fortunali, E., al. J. Food Eng. 2013, 118, 117), (Pillai, SK, al. J. Appl. Polym. Sci. 2013, 129, 362) .

--
Polimerización en emulsión: Partiendo del monómero iniciador del polímero, se lleva a cabo la dispersión de nanoaditivos en la solución que contiene dicho 10 monómero y los catalizadores requeridos en cada caso para lograr la polimerización in sito (Ding, X., el al. Maler. Let!. 2004, 58, 3126), (Ye, D., el al. Emulsion polymerization: Starting from the polymer initiating monomer, the dispersion of nanoadditives is carried out in the solution containing said monomer and the catalysts required in each case to achieve in-situ polymerization (Ding, X., al. Maler Let! 2004, 58, 3126), (Ye, D., al.

J. Appl. Polym. ScL 2012, 125, EI17), (Li, Q.-h., el al. Trans. Nonferrous Me!. Soco China 2013, 23, 1421). J. Appl. Polym ScL 2012, 125, IE17), (Li, Q.-h., al. Trans. Nonferrous Me !. Soco China 2013, 23, 1421).

Vía física Physical way

15 -Extnlsión: Se realiza una mezcla en caliente de los precursores (nanoaditivo y matriz polimérica) en un equipo diseñado al efecto de homogenizar y comprimir la mezcla a través de una boquilla, de modo tal que se obtenga un hilo del material nanocompuesto. Dicho hilo es utilizable en máquinas para fabricación aditiva 15 -Extnlsión: A hot mixture of the precursors (nanoadditive and polymer matrix) is carried out in a device designed to homogenize and compress the mixture through a nozzle, so that a thread of the nanocomposite material is obtained. Said thread is usable in machines for additive manufacturing

(Jonoobi, M., e! al. Compos. Sci. Technol. 2010, 70, 1742), (ViIlmow, T., el al. 20 Polymer 2008, 49, 3500), (Eyholzer, c., el al. J. Polym. Environ. 2012, 20,1052). (Jonoobi, M., e! Al. Compos. Sci. Technol. 2010, 70, 1742), (ViIlmow, T., al. 20 Polymer 2008, 49, 3500), (Eyholzer, c., Al. J. Polym. Environ. 2012, 20,1052).

--
Mezclado en fundido: Los nanoaditivos se añaden al polímero en caliente, a unatemperatura superior a la de fusión del mismo (Iwatake, A., et al. Composites Melt mixing: The nanoadditives are added to the hot polymer, at a temperature higher than the melting temperature (Iwatake, A., et al. Composites

Science and Technology 2008, 68, 2103), (Goodridge, R. D., el al. Polym. Test. Science and Technology 2008, 68, 2103), (Goodridge, R. D., al. Polym. Test.

2011, 30, 94). El procedimiento es similar al anterior, si bien el material no se 25 procesa en fonna de hilo sino como material granulado o pellet, que por ulterior procesado adquiere utilidad en distintos procesos de fabricación aditiva. 2011, 30, 94). The procedure is similar to the previous one, although the material is not processed in a thread but rather as granulated material or pellet, which subsequently processed acquires utility in different additive manufacturing processes.

--
Otros: Se contemplan varias fonnas de elaboración de nanocompuestos via física, nonnalmente vinculados a la extrusión, como etapa previa a ésta. Molienda Others: Several sources of elaboration of nanocomposites are contemplated physically, not normally linked to extrusion, as a previous stage. Grinding

(Qian, Z., e! al. Polym. Eng. Sci. 2012, 52, 1195) (Saleern, 1. Y.; Smyth, H. D. C. (Qian, Z., e! Al. Polym. Eng. Sci. 2012, 52, 1195) (Saleern, 1. Y .; Smyth, H. D. C.

AAPS PhannSciTech 2010, 11, 1642), (Takamatsu, H., et al. J. Ceram. Soco Jpn. 2006, 114, 332), mezclado mecánico (Eyholzer, e., et al. J. Polym. Environ. 2012, 20, 1052), extracción supercrítica (obtención de encapsulados y co-precipitados por extracción de los solventes mediante e02 supercrítico) (Montes, A. , et al. The AAPS PhannSciTech 2010, 11, 1642), (Takamatsu, H., et al. J. Ceram. Soco Jpn. 2006, 114, 332), mechanical mixing (Eyholzer, e., Et al. J. Polym. Environ. 2012 , 20, 1052), supercritical extraction (obtaining encapsulates and co-precipitates by solvent extraction by supercritical e02) (Montes, A., et al. The

5 Joumal of Supercritical Fluids 2012, 63, 92); son otras de las posibilidades que contempla la bibliografia para la elaboración de nanocompuestos. 5 Joumal of Supercritical Fluids 2012, 63, 92); they are other of the possibilities that the bibliography contemplates for the elaboration of nanocomposites.

La investigación en materiales para fabricación aditiva ha tenido concreción industrial en el desarrollo de diversas patentes referidas a procedimientos de fabricación propiamente dichos y para elaboración de los materiales precursores 10 implicados. En concreto, para elaboración de nanocompuestos poliméricos conteniendo grafeno por solución de precursores (Gauthy, F., et al. Solvay SA, Patente WIPO, 2013, N" W02013127712 (Al)), elastómeros aditivados con nanoarcillas por mezclado mecánico (Ebrahimian, S., et al. AlphaGary eorporation. Patente USPTO, 2004, N" US6797760 (BI» , poliamidas aditivadas con Research in materials for additive manufacturing has had industrial concretion in the development of various patents referring to manufacturing processes themselves and for the preparation of the precursor materials involved. Specifically, for the preparation of polymeric nanocomposites containing graphene by solution of precursors (Gauthy, F., et al. Solvay SA, WIPO Patent, 2013, N "W02013127712 (Al)), elastomers additive with nano-clays by mechanical mixing (Ebrahimian, S ., et al. AlphaGary eorporation. USPTO, 2004, N "US6797760 (BI», polyamides additive with

15 filosilicatos mediante extrusión (Presenz, U., Sutter, A. M. EMS-ehemie AG. Patente USPTO, 2005, N" US7442333 (B2», entre otros contemplados en la bibliografia. 15 phyllosilicates by extrusion (Presenz, U., Sutter, A. M. EMS-ehemie AG. USPTO Patent, 2005, N "US7442333 (B2», among others contemplated in the literature.

La presente invención consiste en la elaboración de un hilo de polúnero biodegradable nano-aditivado, por medio de la técnica de extrusión previo 20 recubrimiento mecánico del polímero en molino de bolas. Lo novedoso de la invención planteada estriba en realizar un recubrimiento superficial del polímero con el nanoaditivo, en lugar de perseguirse el perfecto mezclado mecánico o químico, de fonna previa a la extrusión. La dispersión se logra por la homogenización que el husillo rotatorio de la máquina correspondiente es capaz The present invention consists in the elaboration of a nano-additive biodegradable polymer wire, by means of the prior extrusion technique 20 mechanical coating of the polymer in a ball mill. The novelty of the proposed invention is to make a surface coating of the polymer with the nanoadditive, instead of pursuing the perfect mechanical or chemical mixing, in a way prior to extrusion. The dispersion is achieved by homogenization that the rotary spindle of the corresponding machine is capable

25 de conferirle a la mezcla en caliente del polímero recubierto de nanoaditivo. De esta fonna se logra un proceso de elaboración simple, no descrito previamente. 25 to confer on the hot mix of the nanoadditive coated polymer. In this way a simple elaboration process is achieved, not previously described.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN DESCRIPTION OF THE INVENTION

La fabricación aditiva se realiza siguiendo un concepto fabril donde los procesos Additive manufacturing is done following a manufacturing concept where processes

convencionales para la obtención de piezas para uso industrial y de consumo~ Conventional for obtaining parts for industrial and consumer use ~

basados en distintas técnicas de mecanizado que dan lugar a una fabricación en based on different machining techniques that lead to manufacturing in

S S
procesos escalonados, son superados por la obtención de piezas de forma staggered processes, are overcome by obtaining pieces of form

automática y en un solo proceso más rápido y con menores mennas de material. automatic and in a single process faster and with less material.

Sin embargo, la implementación a escala industrial de estos nuevos procesos de However, the industrial scale implementation of these new processes of

producción requiere un esfuerzo investigador orientado a minimizar costes de production requires a research effort aimed at minimizing costs of

material y equipamiento, de modo que los procesos de fabricación aditiva resulten material and equipment, so that additive manufacturing processes result

10 10
más rentables que los convencionales. Con lo anterior y lo que se deduce del more profitable than conventional. With the above and what is deducted from

estado de la técnica descrito en el apartado previo, ese antedicho esfuerzo state of the art described in the previous section, that aforementioned effort

investigador en materiales de partida para fabricación aditiva queda justificado. Al Researcher in starting materials for additive manufacturing is justified. To the

problema de proporcionar nuevos materiales para fabricación aditiva que mejoren problem of providing new materials for additive manufacturing that improve

los convencionales, principalmente polímeros puros, pretende dar solución la the conventional ones, mainly pure polymers, intend to solve the

lS lS
presente invención. present invention

En este sentido, se ha planteado un procedimiento para elaborar materiales de In this regard, a procedure has been proposed to prepare materials for

partida para fabricación aditiva por vía fisica, consistente en el recubrimiento heading for additive manufacturing by physical route, consisting of the coating

superficial de gránulos poliméricos por nanoaditivos que mejoren algunas de sus surface of polymeric granules by nanoadditives that improve some of their

propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas y ópticas. En particular, y sin mechanical, thermal, electrical and optical properties. In particular, and without

20 twenty
perjuicio de la aplicabilidad del procedimiento que se explica más adelante, se ha prejudice of the applicability of the procedure explained below, it has been

trabajado con polímeros biodegradables. Los polímeros biodegradables suman a worked with biodegradable polymers. Biodegradable polymers add up to

esta ventaja ambiental el hecho de proceder de fuentes renovables, no vinculadas This environmental advantage comes from renewable sources, not linked

al consumo de combustibles fósiles. Sin embargo, sus propiedades mecánicas son to the consumption of fossil fuels. However, its mechanical properties are

pobres y, a este respecto, la inclusión de nanoaditivos de diversa naturaleza ha poor and, in this regard, the inclusion of nanoaddives of diverse nature has

2S 2S
demostrado resultar de interés a la hora de mejorar dichas propiedades, e incluso proved to be of interest when it comes to improving these properties, and even

introducir conductividad eléctrica en un material inicialmente aislante como son introduce electrical conductivity in an initially insulating material such as

los polímeros, entre otras mejoras. the polymers, among other improvements.

En definitiva, el objeto de la invención es proporcionar una solución al problema In short, the object of the invention is to provide a solution to the problem.

de la elaboración de nuevos materiales para fabricación aditiva, aportando of the development of new materials for additive manufacturing, contributing

30 30
materiales nanocompuestos y un procedimiento que permita mayor simplificación nanocomposite materials and a procedure that allows greater simplification

técnica que otros aplicados, al tiempo que se ha perseguido la mejora de propiedades de materiales de uso convencional en fabricación aditiva por la inclusión de nanoaditivos, siguiendo el procedimiento de elaboración que describe seguidamente la presente invención. technique than others applied, while the improvement of properties of materials of conventional use in additive manufacturing has been pursued by the inclusion of nanoadditives, following the elaboration procedure described below by the present invention.

5 A la concreción del objeto de la invención se ha ideado un procedimiento para elaborar materiales de partida para fabricación aditiva, consistente en un proceso secuencial en dos etapas que pasa a describirse detalladamente. En primer lugar se realiza un recubrimiento mecánico basado en introducir en un equipo de molienda oportuno, concretamente un molino de bolas planetario, el polímero de partida en 5 A procedure for preparing starting materials for additive manufacturing has been devised for the purpose of the invention, consisting of a sequential two-stage process that is described in detail. First of all, a mechanical coating is carried out based on introducing into a suitable grinding equipment, specifically a planetary ball mill, the starting polymer in

10 fonoa de gránulos y el nanoaditivo correspondiente junto con una carga adecuada de elementos móviles, que procuren el contacto entre el polímero granulado y el nanoaditivo. En segundo lugar, el material así preparado se somete a mezclado en fundido con extrusión para obtenerse un filamento de material nanocompuesto. lográndose la homogenización del nanoaditivo por dispersión a través de la matriz 10 granules phonoa and the corresponding nanoadditive together with an adequate load of moving elements, which seek contact between the granulated polymer and the nanoadditive. Secondly, the material thus prepared is subjected to melt mixing with extrusion to obtain a filament of nanocomposite material. achieving homogenization of the nanoadditive by dispersion through the matrix

15 polimérica. 15 polymeric.

El molino de bolas planetario es un equipo consistente en un plato giratorio sobre el que se fija el vaso de molienda, permitiéndosele no obstante el movimiento de rotación (de ahí la denominación planetario: el mecanismo de giro del conjunto plato-vaso de molienda es análogo a la cinemática celeste). El equipo le transmite 20 al recipiente de molienda, o vaso propiamente dicho, una velocidad angular de giro durante un detenninado tiempo. Los elementos móviles introducidos en el vaso de molienda, bolas a la sazón, son sometidos a un movimiento aleatorio causado por la propia fuerza centrífuga que el vaso, por estar girando, le confiere a las bolas y sus propias colisiones. De esta manera, el polímero introducido como The planetary ball mill is a team consisting of a turntable on which the grinding vessel is fixed, however allowing the rotation movement (hence the planetary designation: the turning mechanism of the grinding plate-glass assembly is similar to celestial kinematics). The equipment transmits 20 to the grinding vessel, or glass itself, an angular speed of rotation for a long period of time. The mobile elements introduced into the grinding vessel, balls at the time, are subjected to a random movement caused by the centrifugal force itself that the glass, by turning, confers on the balls and their own collisions. In this way, the polymer introduced as

25 materia particulada de granulometría milimétrica (pellets) es sometido a múltiples colisiones contra las bolas y paredes del vaso de molienda, produciéndose el recubrimiento superficial a través de este mecanismo, toda vez que el nanoaditivo se ha introducido como carga al vaso. The particulate matter of millimeter granulometry (pellets) is subjected to multiple collisions against the balls and walls of the grinding vessel, the surface coating being produced through this mechanism, since the nanoadditive has been introduced as a charge to the vessel.

De acuerdo a lo descrito previamente, es fundamental detenninar las variables de 30 operación para elaborar un producto final con las mejores propiedades posibles. As described previously, it is essential to determine the variables of operation to develop a final product with the best possible properties.

La extnlsión es un proceso convencional en la producción de materiales para fabricación aditiva, por 10 que lo novedoso en la presente invención consiste en recubrir pellets de material polimérico con el nanoaditivo, mediante el proceso de molienda descrito, como paso previo al citado mezclado en fundido con extrusión. The extnlsión is a conventional process in the production of materials for additive manufacturing, so that the novelty in the present invention consists in coating pellets of polymeric material with the nanoadditive, by means of the grinding process described, as a previous step to the said melt mixing with extrusion.

5 En concreto, las variables de operación para la molienda serán la carga y tipo de bolas, carga de material (polímero y nanoaditivo) al vaso, tiempo del recubrimiento y velocidad angular de giro del plato del molino. 5 Specifically, the milling operation variables will be the load and type of balls, material load (polymer and nanoadditive) to the vessel, coating time and angular speed of rotation of the mill plate.

Se ha empleado un vaso de molienda de óxido de Y -Zr, una cerámica de alta resistencia al impacto y la abrasión y bolas de lo mismo. En general, cuando se 10 desea minimizar la granulometría de las partículas de carga a la molienda debe utilizarse bolas del menor tamaño posible. Puesto que no se desea la reducción de los pellets (y además no es posible dado su comportamiento mecánico eminentemente plástico) sino sólo el recubrimiento superficial con el nanoaditivo, se ha optado por emplear las bolas de mayor tamaño disponibles. Concretamente 15 se ha empleado un juego de 25 bolas de 20 mm 0. Conocida y fijada la carga de bolas es preciso determinar la carga recomendable de material al vaso. Si se carga polímero en exceso se minimizará la libertad de colisiones y con eHo el grado de recubrimiento; caso contrario, el defecto de carga supondrá la defonnación de los pellets por aumento del número de colisiones. Siguiendo recomendaciones A Y-Zr oxide grinding vessel, a ceramic with high impact and abrasion resistance and balls thereof has been used. In general, when it is desired to minimize the particle size of the grinding filler particles, balls of the smallest possible size should be used. Since the reduction of the pellets is not desired (and in addition it is not possible given its eminently plastic mechanical behavior) but only the surface coating with the nanoadditive, it has been decided to use the largest available balls. Specifically, 15 a set of 25 balls of 20 mm 0 has been used. Once the ball load is known and fixed, it is necessary to determine the recommended material load to the vessel. If polymer is loaded in excess, the freedom of collisions will be minimized and with eHo the degree of coating; otherwise, the defect of load will suppose the defonnación of the pellets by increasing the number of collisions. Following recommendations

20 técnicas del equipo las cargas de polímero y nanoaditivo deberán estar comprendidas entre 65-180 g. Finalmente, una velocidad angular del plato de molienda excesiva conlleva, por aumento del número de colisiones, la defonnación de los pellets por lo que deberá llegarse a una relación de compromiso de máxima velocidad angular para menor tiempo de proceso. 20 equipment techniques polymer and nanoadditive loads should be between 65-180 g. Finally, an angular speed of the plate of excessive grinding entails, by increasing the number of collisions, the defonnación of the pellets reason why it must arrive at a relation of commitment of maximum angular speed for less time of process.

25 En el contexto de la presente invención, el procedimiento descrito ha sido empleado y demostrada su utilidad para la elaboración de distintos materiales para fabricación aditiva. Entre otros, se han recubierto pellets de plásticos biodegradables tipo PLAlPHA (del inglés Polylactic acidIPolyhydroxyalkanoate) y de PLA con nanoaditivos tales como láminas de grafito de espesor nanométrico. In the context of the present invention, the described process has been used and demonstrated its usefulness for the elaboration of different materials for additive manufacturing. Among others, PLAlPHA type biodegradable plastic pellets (Polylactic acidIPolyhydroxyalkanoate) and PLA have been coated with nanoadditives such as graphite sheets of nanometric thickness.

30 GNP, (del inglés Graphite Nano-Platelets) y nanopartículas funcionalizadas de Ag, Au y otros metales preciosos, para favorecer la excitación de plasmones superficiales a nanoescala. En efecto, la interacción de los plasmones, u oscilaciones cuantizadas de densidad del plasma de electrones libres de los metales, con los fotones o cuantos de luz da lugar a cambios ópticos en los 30 GNP, (from English Graphite Nano-Platelets) and functionalized nanoparticles of Ag, Au and other precious metals, to favor the excitation of nanoscale surface plasmons. Indeed, the interaction of plasmons, or quantized oscillations of plasma density of free electrons of metals, with photons or quanta of light gives rise to optical changes in the

5 materiales poliméricos por la emisión en un determinado rango del espectro visible. 5 polymeric materials by emission in a certain range of the visible spectrum.

La aplicación del proceso de recubrimiento para los materiales descritos ha proporcionado resultados satisfactorios, a tenor de lo observado por microscopía electrónica de barrido y microscopía de haces de iones focalizados: se observan The application of the coating process for the described materials has provided satisfactory results, according to what was observed by scanning electron microscopy and focused ion beam microscopy: they are observed

10 secciones transversales de pellets donde se constata el recubrimiento superficial por la ausencia de los nanoaditivos en el núcleo polimérico. 10 cross sections of pellets where the surface coating is verified by the absence of nanoadditives in the polymer core.

Como parte de 10 reivindicado en la presente invención, desea hacerse hincapié en la elaboración de PLAlPHA nanoaditivado con GNP. Se ha preparado mediante el procedimiento de elaboración descrito, por recubrimiento mecánico seguido de 15 mezclado en fundido con extrusión, para obtenerse un filamento de material nanocompuesto con una homogénea dispersión del nanoaditivo en la matriz polimérica. Este material ha sido de aplicación en fabricación aditiva, concretamente mediante modelado por deposición de fundido. La detenninación de propiedades ténnicas ha confinnado la no degradación del polímero a la 20 temperatura de trabajo de la máquina de fabricación aditiva antedicha. Este hecho, junto con la medición y verificación de las propiedades mecánicas, que han mejorado tanto en régimen elástico como en régimen plástico las propiedades del PLA puro convencional, convierten al filamento basado en PLAlPHA-GNP en un prometedor material para la fabricación mediante sintesis aditiva. Lo explicado se 25 hace extensivo, de fonna análoga, a otros nanocomposites involucrando los mismos u otros polimeros y otros nanoaditivos, como los mencionados con comportamiento plasmónico superficial a nanoescala incluyendo nanopartículas de metales (plata, oro u otros metales cuyos plasmones superficiales hacen posible la absorción de la luz con la energía necesaria cuando ésta incide sobre dichos 30 metales con dimensiones a nanoescala). A estos últimos filamentos As part of the claim claimed in the present invention, it is desired to emphasize the elaboration of nanoadditioned PLAlPHA with GNP. It has been prepared by the described manufacturing process, by mechanical coating followed by melt mixing with extrusion, to obtain a filament of nanocomposite material with a homogeneous dispersion of the nanoadditive in the polymer matrix. This material has been applied in additive manufacturing, specifically through molten deposition modeling. The determination of technical properties has confined the non-degradation of the polymer at the working temperature of the aforementioned additive manufacturing machine. This fact, together with the measurement and verification of the mechanical properties, which have improved both the elastic and the plastic regime the properties of conventional pure PLA, make the PLAlPHA-GNP based filament a promising material for manufacturing by additive synthesis . The above is extended, from analogous sources, to other nanocomposites involving the same or other polymers and other nanoadditives, such as those mentioned with surface plasmonic behavior at the nanoscale including metal nanoparticles (silver, gold or other metals whose surface plasmons make possible the absorption of light with the necessary energy when it affects said 30 metals with nanoscale dimensions). To these last filaments

nanoaditivados con nanopartículas metálicas con el comportamiento plasmónico indicado se les denominará "filamentos plasmónicos". Nano-additives with metallic nanoparticles with the indicated plasmonic behavior will be called "plasmonic filaments".

MODO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN EMBODIMENT OF THE INVENTION

5 La elaboración de material a que se refiere la presente invención podrá llevarse a efecto siguiendo la secuencia que se desarrolla seguidamente. The preparation of material referred to in the present invention may be carried out following the sequence that follows.

l. Se introducirán en el vaso de molienda los pesos correspondientes a la carga de polimero y nanoaditivo junto con las bolas en las magnitudes indicadas en la descripción de la invención. Deberá ajustarse la carga de nanoaditivo al l. The weights corresponding to the polymer and nanoadditive load together with the balls in the quantities indicated in the description of the invention will be introduced into the grinding vessel. The nanoadditive load should be adjusted to

10 porcentaje en peso de polimero que se desee. 10 percentage by weight of polymer desired.

2. 2.
Seguidamente, deberá fijarse el vaso de molienda al plato del molino de bolas planetario correspondiente y, una va asegurado, fijar las condiciones de velocidad angular del plato y tiempo de molienda. Next, the grinding vessel should be fixed to the plate of the corresponding planetary ball mill and, if it is secured, set the conditions of angular plate speed and grinding time.

3. 3.
Transcurrido el tiempo de molienda deberá separarse las bolas del After the grinding time, the balls must be separated from the

15 polímero recubierto después del paso anterior y recoger el segundo como material preparado para el mezclado en fundido con extrusión. 15 coated polymer after the previous step and collect the second as material prepared for extrusion melt mixing.

4. La carga de pellets se introduce en la tolva de carga de una extrusora cuyo husillo girará a una velocidad determinada forzando al polímero a atravesar el cuerpo dividido en secciones calefactadas de la misma. La máquina extrusora 4. The loading of pellets is introduced into the loading hopper of an extruder whose spindle will rotate at a certain speed forcing the polymer to pass through the body divided into heated sections thereof. The extruder machine

20 concluye en una boquilla de pequeño diámetro a través de la que el polímero fluirá formando un hilo. 20 concludes in a small diameter nozzle through which the polymer will flow forming a thread.

5. El hilo del paso cuarto debe enfriarse para su solidificación en un bafio de agua dispuesto a la salida del equipo de extrusión. Finalmente el filamento así formado se recoge y se bobina convenientemente, quedando preparado para su 5. The thread of the fourth step must be cooled for solidification in a water bath arranged at the exit of the extrusion equipment. Finally, the filament thus formed is collected and coiled conveniently, being prepared for its

25 disposición en máquinas de fabricación aditiva de modelado por deposición de fundido. 25 arrangement in additive manufacturing machines for molten deposition modeling.

Un ejemplo de elaboración es el que sigue: 130 g de PLA junto con un 0,1% plp de GNP, colocados junto a 25 bolas de 20 mm 0 de óxido de Y -Zr en un vaso de molienda comercial de un molino de bolas planetario Retsch modelo PMI00. Esta carga se agita en el molino durante 15 min a 350 rpm lográndose el recubrimiento An example of elaboration is as follows: 130 g of PLA together with 0.1% plp of GNP, placed next to 25 balls of 20 mm 0 of Y-Zr oxide in a commercial grinding glass of a ball mill Retsch planetarium model PMI00. This load is stirred in the mill for 15 min at 350 rpm achieving the coating

5 superlicial de los pellets de PLA por el GNP. Este material se inyecta en una extrusora con una velocidad de giro del husillo de 50 rpm y las secciones calefactadas con temperaturas oscilando los 160-180 OC, para obtenerse un filamento de diámetro constante de 1,75 mm. 5 superlicial of PLA pellets by GNP. This material is injected into an extruder with a spindle speed of 50 rpm and heated sections with temperatures ranging from 160-180 OC, to obtain a constant diameter filament of 1.75 mm.

10 APLICACIÓN INDUSTRIAL 10 INDUSTRIAL APPLICATION

La invención incluye un procedimiento para la elaboración de filamentos de materiales nanocompuestos para fabricación aditiva así como algunas de las fonnulaciones descritas y reivindicadas. El objeto de aplicación industrial propiamente dicho es el filamento. que es el material de partida para máquinas de The invention includes a process for the preparation of filaments of nanocomposite materials for additive manufacturing as well as some of the described and claimed formulations. The object of industrial application itself is the filament. which is the starting material for machines

15 modelado por deposición de fundido. FDM. 15 molten deposition modeling. FDM

Una vez demostrada la mejora de las propiedades mecánicas, respecto a materiales poliméricos convencionales para fabricación aditiva, por parte de los materiales desarrollados a partir del procedimiento objeto de la presente invención, el interés de este material estará vinculado al desarrollo de las técnicas Once the improvement of the mechanical properties has been demonstrated, with respect to conventional polymeric materials for additive manufacturing, by the materials developed from the process object of the present invention, the interest of this material will be linked to the development of the techniques

20 de fabricación aditiva y su implantación a escala industrial, como queda indicado en el estado de la técnica. 20 of additive manufacturing and its implementation on an industrial scale, as indicated in the prior art.

Con vistas a dicha implementación del proceso de fabricación aditiva por FDM, también el procedimiento para la elaboración de filamentos deberá ser escalado al objeto de alcanzarse una producción de materiales de partida acorde a las With a view to the implementation of the additive manufacturing process by FDM, the procedure for the manufacture of filaments must also be scaled in order to achieve a production of starting materials according to the

25 necesidades de una eventual empresa desarrollada a partir de las tecnologías descritas en la presente invención. 25 needs of an eventual company developed from the technologies described in the present invention.

Claims (8)

REIVINDICACIONES l. Procedimiento de elaboración de materiales de partida para fabricación aditiva que comprende la realización secuencial de las siguientes etapas: a) Recubrimiento superficial de gránulos poliméricos con nanoaditivos, l. Process for preparing starting materials for additive manufacturing comprising the sequential realization of the following steps: a) Surface coating of polymer granules with nanoadditives, 5 mediante un procedimiento mecánico. b) Mezclado en fundido con posterior extrusión. 5 through a mechanical procedure. b) Mixed in melt with subsequent extrusion. 2. Procedimiento de elaboración de materiales de partida para fabricación aditiva, según reivindicación 1, caracterizado porque el recubrimiento 2. Process for preparing starting materials for additive manufacturing, according to claim 1, characterized in that the coating 10 superficial de los gránulos poliméricos con nanoaditivos se realiza introduciendo ambos componentes en un equipo de molienda. The surface of the polymer granules with nanoadditives is carried out by introducing both components in a grinding equipment. 3. Procedimiento de elaboración de materiales de partida para fabricación aditiva, según reivindicación 2, caracterizado porque el recubrimiento 3. Process for preparing starting materials for additive manufacturing, according to claim 2, characterized in that the coating 15 superficial de los gránulos poliméricos con nanoaditivos se realiza introduciendo ambos componentes en un molino planetario de bolas. The surface of the polymer granules with nanoadditives is carried out by introducing both components into a planetary ball mill. 4. Procedimiento de elaboración de materiales de partida para fabricación aditiva, según reivindicación 3, caracterizado porque el recubrimiento 4. Process for preparing starting materials for additive manufacturing, according to claim 3, characterized in that the coating 20 superficial de los gránulos polimericos con nanoaditivos se realiza sobre masas de polímero comprendidos entre 65-180 g, en un vaso de molienda de óxido de Y -Zr con 25 bolas del mismo material de 20 mm 0 . The surface of the polymer granules with nanoadditives is carried out on polymer masses between 65-180 g, in a Y-Zr oxide grinding vessel with 25 balls of the same material of 20 mm 0. 5. Procedimiento de elaboración de materiales de partida para fabricación 5. Procedure for preparing starting materials for manufacturing 25 aditiva, según reivindicaciones 1 a 4, donde los gránulos poliméricos son poi ¡meros biodegradables. Additive according to claims 1 to 4, wherein the polymer granules are biodegradable polymers. 6. Procedimiento de elaboración de materiales de partida para fabricación 6. Procedure for manufacturing starting materials for manufacturing aditiva, según reivindicación 5, donde los gránulos poliméricos son del 30 tipo PLAIP HA o PLA puro. additive according to claim 5, wherein the polymer granules are of the type PLAIP HA or pure PLA. 7. Procedimiento de elaboración de materiales de partida para fabricación aditiva, según reivindicaciones 1 a 4, donde los nanoaditivos empleados son láminas de grafito de espesor nanométrico (GNP). 7. Process for preparing starting materials for additive manufacturing, according to claims 1 to 4, wherein the nanoadditives used are graphite sheets of nanometric thickness (GNP).
5 8. Procedimiento de elaboración de materiales de partida para fabricación aditiva, según reivindicaciones 1 a 4, donde los nanoaditivos empleados son nanopartículas funcional izadas de metales con comportamiento plasmónico superficial a nanoescala. 5. Process for the preparation of starting materials for additive manufacturing, according to claims 1 to 4, wherein the nanoadditives used are functional nanoparticles of metals with nanoscale surface plasmonic behavior.
10 9. Procedimiento de elaboración de materiales de partida para fabricación aditiva, segUn reivindicación 8, donde los nanoaditivos empleados son nanoparticulas de plata funcional izadas con comportamiento plasmónico superficial a nanoescala. 9. Process for the preparation of starting materials for additive manufacturing, according to claim 8, wherein the nanoadditives used are functional silver nanoparticles hoisted with surface plasmonic behavior at nanoscale.
15 10. Procedimiento de elaboración de materiales de partida para fabricación aditiva, segUn reivindicación 8, donde los nanoaditivos empleados son nanopartículas de oro funcional izadas con comportamiento plasmónico superficial a nanoescala. 10. Method for preparing starting materials for additive manufacturing, according to claim 8, wherein the nanoadditives used are functional gold nanoparticles hoisted with surface plasmonic behavior at nanoscale. 20 11 . Filamentos poliméricos nanoaditivados elaborados según reivindicaciones 8 a 10, que por su comportamiento plasmónico superficial a nanoescala reciben la denominación de "filamentos plasmónicos". 20 11. Nano-additive polymeric filaments made according to claims 8 to 10, which due to their surface plasmonic behavior at nanoscale are called "plasmonic filaments".
12. Uso de los filamentos, según reivindicación 11, en fabricación aditiva 25 mediante máquinas de modelado por deposición de fundido. 12. Use of the filaments, according to claim 11, in additive manufacturing by means of melt deposition modeling machines.
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