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MEMORIAS DEL XXIV CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 19 al 21 DE SEPTIEMBRE DE 2018 CAMPECHE, CAMPECHE, MÉXICO Tema A2b Manufactura: Manufactura Aditiva para la producción de herramentales “Caracterización de porosidad en piezas fabricadas mediante moldeo por compresión” Yara Cecilia Almanza-Arjona a , Leopoldo Ruiz Huerta a , Homero Alberto Castro Espinosa a , Alberto Caballero Ruiz a , Clara Esther Gómez García a , Adriana Itzel Hernández Contreras a a Instituto de Ciencias Aplicadas y Tecnología, UNAM, Circuito Exterior S/N, Ciudad Universitaria, Coyoacán, Ciudad de México. C.P. 04510, México. *Yara Cecilia Almanza-Arjona: [email protected] R E S U M E N La manufactura aditiva, también conocida como impresión 3D, es uno de los avances tecnológicos clave que se pronostica impulsará a la manufactura hacia las fábricas del futuro, en las que equipos convencionales serán complementados por sistemas flexibles e inteligentes que son manejados por computadoras. El área médica es una de las industrias que más aprovecha las virtudes de los procesos aditivos de fabricación y ha favorecido el desarrollo de herramentales con MA, ya que permiten dar forma a materiales conocidos mediante procesos tradicionales como el moldeo por compresión. El presente trabajo reporta la caracterización de la porosidad de piezas hechas con la técnica de moldeo por compresión, empleando moldes fabricados por MA. Se propone el ajuste de la presión y la temperatura en el proceso de moldeo cuando se utilizan moldes hechos de material termoplástico, y se explora el impacto en las propiedades de las piezas finales, particularmente en la porosidad de elementos de PMMA. La porosidad se determina por medio de tomografía computarizada, técnica empleada para realizar pruebas no destructivas. Palabras Clave: Manufactura aditiva, impresión 3D, herramentales, polímero biocompatible, PMMA, modelado por deposición fundida. A B S T R A C T Additive Manufacturing, also known as 3D printing, is one of the key technological advances that is forecasted will bring manufacturing towards the factories of the future, where conventional equipment will be complemented by flexible and smart systems that will be managed by computers. AM has found important applications in the field of medicine due to its characteristics, such as free form, and has fostered the development of MA tooling, which allows the fabrication of elements with common materials by means of traditional manufacturing processes, such as compression moulding. The present work reports the characterization of porosity by computer tomography of sambles fabricated using MA tooling. The adjustment of the pressure and temperature at which the process was developed is also explored. Keywords: Additive manufacturing, 3D printing, tooling, biocompatible polymer, PMMA, fused deposition modelling. 1. Introducción El moldeo por compresión es un proceso de manufactura tradicional y ampliamente empleado para procesar polímeros termofijos, termoplásticos, elastómeros entre otros. Este proceso permite la conversión de la materia prima en productos terminados con diversas geometrías a través del uso de moldes bajo ciertas condiciones de presión y temperatura [1]. Este proceso ha encontrado nuevas aplicaciones con alto valor agregado, como es el caso de la fabricación de dispositivos biomédicos. Para lograr desarrollar este tipo de aplicaciones, ha sido necesario ajustar algunos de los parámetros de proceso para atender algunas características especiales de los polímeros empleados en aplicaciones biomédicas. Tanto las ISSN 2448-5551 MM 64 Derechos Reservados © 2018, SOMIM

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MEMORIAS DEL XXIV CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 19 al 21 DE SEPTIEMBRE DE 2018 CAMPECHE, CAMPECHE, MÉXICO

Tema A2b Manufactura: Manufactura Aditiva para la producción de herramentales

“Caracterización de porosidad en piezas fabricadas mediante moldeo por compresión”

Yara Cecilia Almanza-Arjona a, Leopoldo Ruiz Huerta a, Homero Alberto Castro Espinosa a, Alberto Caballero Ruiza, Clara Esther Gómez García a, Adriana Itzel Hernández Contreras a

aInstituto de Ciencias Aplicadas y Tecnología, UNAM, Circuito Exterior S/N, Ciudad Universitaria, Coyoacán, Ciudad de México. C.P. 04510, México. *Yara Cecilia Almanza-Arjona: [email protected]

R E S U M E N

La manufactura aditiva, también conocida como impresión 3D, es uno de los avances tecnológicos clave que se pronostica impulsará a la manufactura hacia las fábricas del futuro, en las que equipos convencionales serán complementados por sistemas flexibles e inteligentes que son manejados por computadoras. El área médica es una de las industrias que más aprovecha las virtudes de los procesos aditivos de fabricación y ha favorecido el desarrollo de herramentales con MA, ya que permiten dar forma a materiales conocidos mediante procesos tradicionales como el moldeo por compresión. El presente trabajo reporta la caracterización de la porosidad de piezas hechas con la técnica de moldeo por compresión, empleando moldes fabricados por MA. Se propone el ajuste de la presión y la temperatura en el proceso de moldeo cuando se utilizan moldes hechos de material termoplástico, y se explora el impacto en las propiedades de las piezas finales, particularmente en la porosidad de elementos de PMMA. La porosidad se determina por medio de tomografía computarizada, técnica empleada para realizar pruebas no destructivas. Palabras Clave: Manufactura aditiva, impresión 3D, herramentales, polímero biocompatible, PMMA, modelado por deposición fundida.

A B S T R A C T

Additive Manufacturing, also known as 3D printing, is one of the key technological advances that is forecasted will bring manufacturing towards the factories of the future, where conventional equipment will be complemented by flexible and smart systems that will be managed by computers. AM has found important applications in the field of medicine due to its characteristics, such as free form, and has fostered the development of MA tooling, which allows the fabrication of elements with common materials by means of traditional manufacturing processes, such as compression moulding. The present work reports the characterization of porosity by computer tomography of sambles fabricated using MA tooling. The adjustment of the pressure and temperature at which the process was developed is also explored.

Keywords: Additive manufacturing, 3D printing, tooling, biocompatible polymer, PMMA, fused deposition modelling.

1. Introducción

El moldeo por compresión es un proceso de manufactura tradicional y ampliamente empleado para procesar polímeros termofijos, termoplásticos, elastómeros entre otros. Este proceso permite la conversión de la materia prima en productos terminados con diversas geometrías a

través del uso de moldes bajo ciertas condiciones de presión y temperatura [1]. Este proceso ha encontrado nuevas aplicaciones con alto valor agregado, como es el caso de la fabricación de dispositivos biomédicos. Para lograr desarrollar este tipo de aplicaciones, ha sido necesario ajustar algunos de los parámetros de proceso para atender algunas características especiales de los polímeros empleados en aplicaciones biomédicas. Tanto las

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características del polímero a moldear así como las condiciones del proceso de moldeo por compresión determinarán la morfología del producto final, que a su vez tienen un efecto directo en las propiedades mecánicas, dimensionales e incluso de biocompatibilidad [2]. Los procesos de manufactura en el área médica, requieren de una gran flexibilidad para lograr la construcción de diversos dispositivos con formas orgánicas que pueden resultar muy retadoras en términos geométricos. La Manufactura Aditiva (MA), coloquialmente conocida como impresión 3D, es uno de los avances tecnológicos clave que se pronostica impulsará a la manufactura hacia las fábricas del futuro, en las que equipos convencionales serán sustituidos por sistemas flexibles e inteligentes que serán manejados por computadoras [3]. En los últimos años, la MA ha encontrado un nicho de aplicación importante debido a la necesidad de producir elementos personalizados, con libertad de forma, en un corto tiempo, en una variedad de materiales y con gran impacto en áreas de alto valor agregado como lo es la industria automotriz, aeronáutica y médica, especialmente porque brinda la posibilidad de generar productos para cumplir necesidades específicas [4].

1.1. Manufactura Aditiva para producir herramentales con aplicación en el área médica

La manufactura aditiva consiste en la adición de material de manera automatizada, típicamente capa por capa, a partir de información proveniente de un archivo digital, de acuerdo a la Sociedad Americana para Ensayos y Materiales (ASTM por sus siglas en el idioma inglés) [5]. En el área de salud, la manufactura aditiva ha encontrado diversas aplicaciones que abarcan desde modelos anatómicos y pruebas de concepto de instrumentos médicos, hasta herramentales y piezas funcionales, como son las prótesis dentales e implantes craneofaciales. El área médica es una de las industrias que más promueve la innovación en el campo de la manufactura aditiva, ya que existe la necesidad de generar más materiales biocompatibles y procesos aditivos que sean capaces de procesarlos, derivada de la limitada variedad de materiales biocompatibles disponibles comercialmente [6]. Esta posible restricción en términos de materiales específicos para MA, invita a desarrollar herramentales con MA que permitan dar forma a materiales ya conocidos mediante procesos tradicionales. En este rubro, el moldeo por compresión es un proceso que requiere de un molde de dos piezas: la hembra o cavidad es montada sobre la platina inferior de una prensa, mientras que el macho o el émbolo, se alinea con la hembra y se coloca en la parte superior de la prensa. El material a moldear se coloca dentro de la

cavidad del molde para finalmente cerrar el molde con ayuda de la prensa [1]. La funcionalidad de un material está determinada, en gran medida, por su porosidad [7–9]. En algunos casos, se busca que los materiales sean porosos, como lo es el caso de los materiales absorbentes de sonido, ampliamente aplicados en industria automotriz, naval y aeronáutica [10]. De igual manera, la porosidad es necesaria en el caso de los biomateriales empleados para la construcción de andamios en ingeniería de tejidos [11]. Sin embargo, existen otras aplicaciones en campos como la aeronáutica y la medicina (p.e implantes, dispositivos dentales, etc.), en los que la porosidad no es deseable, puesto que podría resultar en la fragilidad de los componentes. La presencia de porosidad en piezas fabricadas con materiales biocompatibles por la técnica de moldeo por compresión con fines de aplicación en el área médica, se asocia con un decremento en las propiedades mecánicas, un incremento en el potencial de acumulación de bacterias y otros organismos, así como la retención de fluidos, lo que podría detonar infecciones en el paciente [12,13]. De aquí surge la importancia de determinar la porosidad en los elementos fabricados. En este trabajo se inspecciona, por medio de tomografía computarizada, la porosidad obtenida en piezas producidas con polimetil metacrilato (PMMA), polímero biocompatible, a partir del proceso de moldeo por compresión con herramentales fabricados por manufactura aditiva.

1.2. Moldeo por compresión de elementos biocompatibles

Existe una gran diversidad de materiales biocompatibles empleados para la producción de implantes y prótesis en el área médica. El PMMA fue el material biocompatible elegido para el presente estudio, por ser una opción económica y efectiva que ha sido empleado exitosamente en los últimos 30 años en la reconstrucción de defectos tanto óseos como dentales [14–16]. El PMMA es un éster del ácido metacrílico de aspecto vítreo que se obtiene de la polimerización del metil metacrilato. Comercialmente se encuentra como un sistema con dos componentes, uno en polvo y uno en líquido. El polvo está constituido por pequeñas esferas de PMMA prepolimerizado, sulfato de bario u óxido de zirconio como agente radiopaco y un catalizador (generalmente peróxido de benzoilo) que se activa a una temperatura de 70°C. La parte líquida contiene el monómero base metacrilato de metilo, ácido metacrílico o metacrilato de dietilaminoetilo como co-monómeros y la

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N,N-dimetil-p-toluidina (activador de la reacción de polimerización) [14,17]. Uno de los procesos de producción de elementos de PMMA más comunes, se basa en la técnica de moldeo por compresión, que se usa típicamente en Odontología. Este proceso se basa en impresiones que se toman directamente de la lesión del paciente [18]. En este proceso, el elemento se modela inicialmente en cera para efectuar una valoración por parte del médico y realizar los ajustes necesarios. Una vez terminado el modelo en cera, se coloca el elemento en muflas de yeso piedra. Finalizado el proceso de fraguado, se retira la cera. La resina acrílica (p.e PMMA termocurable) se empaca en la mufla, se prensa y se coloca en baño de agua a temperatura entre 70 y 85°C durante 12 horas continuas [19]. Una vez terminado el proceso de curado de la resina acrílica, el elemento se mantiene en el recipiente hasta que la temperatura del baño de agua alcanza la temperatura ambiente. La pieza se retira de la mufla y se le da un terminado adecuado, como la eliminación de excedentes y alisado de márgenes. Entre las desventajas de este método, se encuentran por una parte que la calidad de la pieza depende de la habilidad manual de quien lo realiza y por otro lado, la imposibilidad de definir exactamente los márgenes del defecto, el contorno de la geometría y su orientación. En el año 2016, el Laboratorio Nacional de Manufactura Aditiva y Digital (MADiT) desarrolló una tecnología para producir implantes craneofaciales con moldes hechos de manufactura aditiva [20]. Esta consiste en recuperar información digital relacionada con la lesión a partir de estudios imagenológicos del paciente, con el fin de realizar una copia fidedigna de la anatomía de la zona afectada y, mediante paquetería de cómputo, determinar la geometría y dimensiones del implante requerido. Con esta información se diseña el molde que se construye con Policarbonato (PC) en máquinas de modelado por deposición fundida (FDM, por sus siglas en el idioma inglés). Posteriormente, en el molde se realiza la reacción de polimerización del PMMA. La naturaleza porosa del molde, inherente a la construcción hecha por procesos aditivos, demanda un cambio en el medio de calentamiento para llevar a cabo la reacción, Mientras que en el proceso tradicional de moldeo por compresión del PMMA el fluido de calentamiento utilizado es agua, al utilizar herramentales hechos por manufactura aditiva la temperatura tendrá que ser obligatoriamente controlada con aire, que tiene una conductividad significativamente menor que el agua. Esta nueva tecnología, que utiliza herramentales hechos por manufactura aditiva, ha demostrado la posibilidad de generar elementos en PMMA que cumplen con los

requerimientos de biocompatibilidad y geometría. Sin embargo, aún no se han estudiado los efectos de la presión y de temperatura a las cuales son sometidos los moldes hechos por FDM y su impacto en características físicas de los elementos biocompatibles como la porosidad.

1.3. Caracterización de elementos de PMMA

En aplicaciones médicas, ortopédicas y/o dentales el PMMA ha sido uno de los materiales más utilizados en las últimas décadas para la fabricación de elementos reconstructivos. En este sentido, las propiedades mecánicas, contracciones geométricas y porosidad de dichas estructuras han recibido particular atención [21–25]. Una de las principales propiedades que se requiere caracterizar es la porosidad. Este parámetro indica la cantidad de aire dentro del componente (presencia de burbujas) y que afecta directamente a las propiedades mecánicas del elemento. Existen dos tipos de porosidad: ● Porosidad por ebullición: son burbujas muy pequeñas y

se encuentran en el seno del material. Se deben a que el monómero (metil metacrilato) cambia de fase líquida a vapor (Figura 1(e)-(f)).

● Porosidad por empacado de aire: son burbujas mucho

más grandes que las causadas por ebullición y se encuentran en la superficie del elemento. Se deben a que el aire es atrapado durante el proceso de empacado de la resina dentro del molde (Figura 1(c)-(d)).

● Porosidad por polimerización: este tipo de porosidad no

se detecta a simple vista ya que ésta ocurre a nivel molecular. Se atribuye a una diferencia de densidad que se genera durante el proceso de polimerización. Durante la reacción química el monómero líquido, que típicamente tiene una densidad de 0.94 g/cm3, se convierte en un polímero con densidad de 1.19 g/cm3[19]. Esta disminución de volumen también es una de las causas primordiales del encogimiento del material [26].

La porosidad en aplicaciones Odontológicas es generalmente evaluada de acuerdo a los criterios establecidos en la Norma 12 de la Asociación Americana de Odontología, que establece que un elemento de PMMA debe ser transparente y no presentar porosidad aparente, es decir, sin burbujas detectables a simple vista. [27]. En la Figura 1(a)-(b), se muestran elementos de PMMA evaluados de acuerdo a este criterio. La porosidad también ha sido determinada [16,23] por el método gravimétrico, es decir, a través de la determinación

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del peso de los elementos de PMMA secos y del peso de los elementos dentro de un contenedor de agua, tomando en cuenta la densidad del PMMA, del aire y del agua y por diferencia de peso, se determina el porcentaje de volumen de espacios vacíos (o burbujas), que es proporcional al por ciento de porosidad de cada muestra. El valor promedio reportado oscila entre 1 y 7%. Sin embargo, para este trabajo, se determina la porosidad de los elementos por medio de Tomografía Computarizada 3D (TC). En esta técnica de inspección visual, se obtiene una reconstrucción del volumen digital del espécimen de interés, a partir de imágenes que muestran un umbral de densidades generadas por la penetración de rayos X [28]. La CT es una técnica no destructiva que se utiliza para la detección de defectos [29] y que ha demostrado su efectividad para la detección, distribución y tamaño de poros en materiales fabricados por distintos procesos de AM [30,31].

Figura 1 - (a) elemento sin porosidad; (b) elemento con porosidad;

(c), (d) porosidad por empacado; (e) y (f) porosidad por por ebullición.

El alcance del presente trabajo es identificar y cuantificar la porosidad con la técnica de TC, la cual ha sido poco documentada para elementos de PMMA fabricados con el proceso de moldeo por compresión empleando herramentales hechos por manufactura aditiva.

2. Materiales y Métodos

2.1. Determinación de porosidad por Tomografía Computarizada

Para la determinación de porosidad por TC se prepararon seis muestras con forma de disco con 20 mm de diámetro y un espesor de 2 mm, como se ha recomendado en la literatura especializada para la caracterización de elementos de PMMA [32–34], como se muestra en la Figura 2.

Los especímenes fueron generados en moldes de PC hechos por la tecnología FDM, como se muestra en la Figura 3.

Para preparar los discos de PMMA se mezcló una relación volumétrica de 2:1 polvo:líquido de la resina acrílica termocurable (OpticrylTM™). Una vez empacado el material reactivo y cerrado el molde, se colocaron dos placas metálicas planas de 8 mm x 8 mm en cada una de las caras para aplicar una presión constante de acuerdo al procedimiento reportado por el MADiT [35]. El curado se llevó a cabo en un horno a 79°C por cincuenta minutos.

Figura 2 - (a) CAD del molde; (b) geometría del espécimen; (c) cotas del molde diseñado.

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Figura 3 - (a) TC de la hembra molde hecho por manufactura aditiva; (b) TC parte interna del molde; (c) TC del molde cerrado.

El equipo de TC que se utilizó para la determinación de poros en los elementos de PMMA es un Nikon™ XTH225ST (Nikon Metrology, Inc., USA), con panel cuadrado de 2000 pi x 2000 pi y con los siguientes parámetros: 200 (KV), 140 (uA) @ 1000 (ms) de tiempo de exposición y una resolución por Voxel de 70 μm, para todas las muestras. Para la reconstrucción de las tomografías se empleó el software CT Pro 3D (ver. XT 3.1.9), mientras que para la determinación de superficies y evaluación de la porosidad se empleó el módulo Defect Detection del VG Studio Max (ver. 2.2.4 64 bit).

2.2. Efecto de la temperatura y la presión en el proceso de manufactura

Las condiciones de presión y temperatura a las que se lleva a cabo el curado de la resina, deben ser ajustadas de acuerdo al material del molde. En el proceso de moldeo por compresión, en donde los moldes están hechos de yeso y el medio de calentamiento es agua líquida, se reporta que la presión aplicada al molde se encuentra en un intervalo que va desde los 138 hasta los 300 kPa; la temperatura del baño de agua se reporta entre los 74 y 85°C [19,36]. El ajuste de dichos parámetros en la técnica que emplea herramentales manufacturados de manera aditiva, requiere considerar dos aspectos fundamentales de la reacción de polimerización del PMMA. Por un lado, el punto de ebullición del componente líquido reportado en la literatura, es decir del monómero metil metacrilato, es de 100°C a 1 atm de presión; sin embargo en la Ciudad de México, existe una presión atmosférica de 0.75 atm, por lo que el punto de ebullición del MMA disminuye hasta 91°C. En segundo lugar, lo que sucede dentro de los moldes, toda vez que el material alcanza los 70°C y se activa el

iniciador, comienza la reacción que es exotérmica. En la literatura se reporta que la exoterma puede alcanzar desde los 94°C hasta los 132°C en un elemento de 8 mm de espesor, ya que el calor que se genera en segmentos más gruesos no puede ser disipado. [37,38]. Si la presión del material dentro del molde permanece igual que la presión atmosférica, invariablemente existirá ebullición del monómero y el elemento mostrará porosidad como la que se muestra en la Figura 1(f). Para evitar la vaporización del monómero dentro del molde, es posible modificar el proceso de manufactura tomando como referencia las dos categorías de procesos que se emplean para mejorar la propiedades mecánicas de los cementos óseos: a) procesos que buscan optimizar las propiedades del PMMA sin modificar los componentes del sistema y b) aquellos procesos que modifican la composición química de los materiales base [21]. Esta última categoría ha sido ampliamente estudiada , y varios autores han sugerido la incorporación de cargas para la generación de materiales compuestos [39], o de aceites para controlar el incremento de la temperatura debido a la exoterma de la reacción, pero se ha demostrado que esta estrategia disminuye el Módulo de Young e incrementa la presencia de porosidad en el PMMA [22]. Los autores del presente trabajo proponen una estrategia que corresponde a la primera categoría, es decir, únicamente modificar la temperatura y presión del proceso de polimerización dentro del molde, para no comprometer la biocompatilidad ni las propiedades mecánicas de los elementos fabricados. Temperatura Para establecer la temperatura necesaria para controlar la generación de porosidad por ebullición, es necesario medir y controlar el proceso de calentamiento del molde en donde se lleva a cabo el proceso de polimerización. En estudios anteriores [38], se ha reportado que para realizar el diseño del molde, se debe considerar una geometría que facilite el proceso de disipación de calor una vez iniciada la reacción, así como el hecho de que el material del cual están hechos los moldes fabricados por manufactura aditiva, es un polímero termoplástico con muy baja conductividad térmica (0.19 J/m s °C) que no favorece la disipación del calor que se genera dentro del molde. En la literatura se ha reportado que la diferencial de temperatura entre la pared interna y la pared externa de moldes fabricados en PC por manufactura aditiva, con un espesor de 10 mm es de 10°C [38]. Entonces, la temperatura para el curado se fija en 79°C para moldes de 1mm de espesor. Presión Para ajustar la presión a la cual se someten los moldes hechos de manufactura aditiva para generar elementos de PMMA sin porosidad debido a la ebullición del monómero,

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la estrategia que se sugiere es abatir el punto de ebullición ajustando únicamente la presión del sistema de acuerdo al modelo termodinámico de Clausius Clapeyron (Ecuación 1).

(1)

En donde: P1 - es la presión atmosférica. P2 - es la presión necesaria para abatir el punto de ebullición. T1 - la temperatura de ebullición del monómero a la P1 . T2 - la temperatura a la cual ebulliría el monómero cuando el sistema se encuentra a P2. -𝚫H - es la entalpía de vaporización del metil metacrilato. R - es la constante universal de los gases ideales. De esta manera, se calcula que el intervalo de presión mínima requerida para procesar elementos de PMMA y evitar la porosidad debido a la ebullición del monómero, es desde 105 hasta 426 kPa, tomando en cuenta que la temperatura máxima dentro del molde alcanza un valor entre 94°C y 145°C debido a la exoterma.

Esto representa hasta un 40% mayor que la reportada en la literatura para el proceso de moldeo por compresión.

3. Resultados

En la Tabla 1 se muestran los resultados del análisis realizado a los elementos fabricados con moldes hechos por manufactura aditiva.

Tabla 1 – Porosidad de ejemplares producidos con moldes hechos por manufactura aditiva.

Ejemplar % de Porosidad Diámetro del poro* (mm)

1 0.02 0.13

2 0.06 0.13

3 0.25 0.14

4 0.37 0.46

5 0.18 0.15

6 0.40 0.12

*Diámetro que inscribe a las porosidades identificadas con más frecuencia

La posición de los ejemplares en el molde se muestra en la Figura 4.

Figura 4 - Distribución de los ejemplares en el molde hecho por MA.

La probeta que presentó la menor cantidad de poros (0.02% del volúmen), muestra que su distribución se localiza en la parte central del disco, al igual que la probeta con mayor porosidad (0.40%) ver Figura 5 (a)-(c). Sin embargo, dos de los discos que presentan 0.37% y 0.25% de porosidad, no presentan poros en la parte central de la probeta, como se observa en la Figura 6. En todos los casos, la porosidad que presentan las probetas hechas con herramental fabricado por manufactura aditiva puede atribuirse a la reacción de polimerización, ya que en ninguna de las probetas se puede detectar a simple vista ninguna burbuja. No se detecta presencia de burbujas de ebullición, lo que sugiere que las condiciones de presión y temperatura seleccionadas para el proceso de moldeo por compresión de esta geometría, evita la evaporación del metil metacrilato durante la exoterma de la reacción.

Figura 5 - (a) Imagen de Tomografía Computarizada que muestra la porosidad en probetas fabricadas con herramental de MA; (b) ejemplar con porosidad de 0.02%; (c) ejemplar con 0.40% de

porosidad.

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Figura 6 - Imagen de Tomografía Computarizada que muestra la porosidad en elementos hechos con herramental de MA. (a) 0.37%;

(b) 0.25%.

La porosidad en elementos elaborados con moldes de yeso tradicionales se reporta de 0.98% [16], mientras que la porosidad promedio de los elementos hechos con moldes de MA es de 0.21% lo que representa una disminución de más de un 400% en la porosidad. Sin embargo, como se mencionó anteriormente, los efectos de la presión y la temperatura en la porosidad de las piezas hechas con herramentales de MA, están íntimamente relacionados con la geometría del elemento, particularmente por la disipación de calor y la distribución de la presión en las diversas regiones de la pieza. Los elementos fabricados con el proceso de moldeo por compresión, requieren del ajuste de los parámetros de presión y temperatura de acuerdo al material del molde, así como del medio de calentamiento y de las características del polímero que se va a moldear. En el caso de los elementos hechos por PMMA se debe de considerar la naturaleza reactiva del material y su sinergia con los parámetros de proceso, como se presenta en la Figura 7.

Figura 7 -Relación de las variables del proceso de moldeo por compresión y consideraciones del material a moldear.

4. Conclusiones

La técnica de tomografía computarizada es ampliamente utilizada como una herramienta de inspección que permite identificar características internas de objetos y sistemas, por lo que se identifica como una alternativa sistemática y cuantificable a la norma ANSI/ADA 12-2002.

Con la información proveniente de las inspecciones realizadas mediante tomografía computarizada a los discos de PMMA desarrollados para este trabajo, se aprecia que la disipación de calor que se genera dentro del molde es limitada por la baja conducción térmica tanto del material como del medio de calentamiento, debido a que los herrameintales empleados para la producción de piezas por el proceso de moldeo por compresión tienen un efecto negativo en la porosidad del componente final, ya que promueve la aparición de poros por ebullición . Para contrarrestar esta condición, se propone el ajuste de los parámetros de presión y temperatura del proceso de polimerización que se lleva a cabo dentro del molde. Puesto que la exoterma de la reacción establece la temperatura máxima dentro del molde, la presión mínima que se debe aplicar para abatir el punto de ebullición se calcula de acuerdo al modelo termodinámico de Clausius Clapeyron.

En el caso de estudio reportado, donde se utilizan moldes hechos por manufactura aditiva, para un intervalo de temperatura de entre 94°C y 145°C, la presión mínima dentro del molde se debe ajustar entre los 105 hasta los 426 kPa. Los resultados que se reportan en este trabajo sugieren que la preparación de la probetas podría ser un factor que impacte la presencia de poros, en virtud de su posición. En el presente caso de estudio se colocaron seis probetas en un solo molde, y los resultados de contenido de porosidad indican que las probetas del lado derecho muestran un valor promedio de porosidad mayor con respecto al lado izquierdo, lo que posiblemente se deba a que la presión no se distribuyó uniformemente. En ese mismo sentido, se propone la realización de estudios más profundos, para determinar si la distribución de los poros encontrados en cada una de las probetas tiene una relación con la distribución espacial de la presión aplicada en el molde.

Los resultados reportados son de interés en la fabricación de dispositivos médicos, particularmente por la necesidad de generar geometrías complejas con materiales biocompatibles que aún no se encuentran disponibles para procesos aditivos.

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Agradecimientos

Los autores agradecen el apoyo financiero recibido mediante los recursos de los proyectos PAPIME PE106417 y CONACyT LN294415. REFERENCIAS

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