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Mar 12, 2024

Equipos de laboratorio impresos en 3D para medir materiales a granel en condiciones extremas

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 17331 (2022) Cite este artículo 1703 Accesos 1 Citas 12 Detalles de Altmetric Metrics Debido a soluciones relativamente nuevas en el campo de la impresión 3D,

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 17331 (2022) Citar este artículo

1703 Accesos

1 Citas

12 altmétrico

Detalles de métricas

Debido a las soluciones relativamente nuevas en el campo de la impresión 3D, existen pocos estudios sobre la posibilidad de utilizar elementos impresos en dispositivos de medición. El objetivo de este estudio fue investigar la posibilidad de utilizar instrumentos fabricados mediante el método de impresión 3D por extrusión de materiales para medir propiedades físico-mecánicas seleccionadas de materiales a granel. El estudio explora la viabilidad de medir las propiedades físico-mecánicas de materiales a granel cuando existen obstáculos para imprimir instrumentos de medición originales o modificados en la práctica común. Para lograr los objetivos, se realizaron una serie de experimentos, como las pruebas de corte anular de Schulze, las pruebas de corte FT4 de Freeman, pruebas de compresibilidad y pruebas de caudal y estabilidad, utilizando instrumentos originales fabricados en aluminio o acero e instrumentos impresos en 3D a partir de ácido poliláctico y estireno acrílico. materiales de acrilonitrilo, utilizando simulantes de regolito lunar LHS-1 y LMS-1 producidos por CLASS Exolith Lab como material de muestra. Luego se compararon los resultados obtenidos de las pruebas con instrumentos originales e impresos. Los valores comparados de las pruebas mostraron la aplicabilidad de los instrumentos de medición impresos en 3D en un rango de desviación de medición del 5%. Las mayores ventajas de los instrumentos de medición impresos en 3D fueron el menor peso, la capacidad de imprimir en el acto, reemplazar una pieza dañada con una nueva pieza impresa en 3D bajo demanda si se necesitan resultados extremadamente rápidos o debido a la falta de disponibilidad logística, personalización. de las pruebas estandarizadas para comprender mejor el comportamiento de los materiales particulados y abaratar los costos de fabricación.

Los científicos e ingenieros han logrado avances significativos en las misiones de exploración de planetas y cuerpos celestes en las últimas décadas y han adquirido conocimientos sobre sus recursos y propiedades. Sin embargo, además de llegar a los planetas, aterrizar de forma segura en el universo sigue siendo una tarea difícil. Para cambiar esto, los módulos de aterrizaje y los rovers recopilan datos sobre los recursos geológicos, la atmósfera y la radiación, y deben verificar las mediciones mediante sondas desde la órbita. Los vehículos de aterrizaje y rovers provistos de brazos de excavadora extraen rocas y polvo para analizar las propiedades de los materiales1. El objetivo es recopilar datos y preparar estrategias para construir sitios de aterrizaje y hábitats de protección contra la radiación, y desarrollar construcciones adecuadas, como infraestructura, fábricas y laboratorios, antes de la llegada de los astronautas.

Para ampliar y facilitar dichas misiones de exploración, se necesitan dos conceptos in situ2,3. En primer lugar, se trata de infraestructuras y equipos de fabricación y reparación in situ (ISFR). En segundo lugar, se trata de la utilización de recursos in situ (ISRU). Como resultado, en la última década se han estudiado intensamente los recursos para la fabricación lunar in situ y se han propuesto varias tecnologías4,5,6,7. Para simular materiales de otros planetas se utilizan productos de base cerámica, como el regolito lunar1, que es arena muy fina8. En el entorno terrestre se desarrollaron simulantes de regolito lunar con propiedades físico-mecánicas similares9, como LHT-1 M3, NU-LHT7 o JSC-1A10. Sin embargo, debido al diferente entorno físico, las propiedades y el comportamiento de los materiales en otros cuerpos celestes difieren de los de la Tierra. El comportamiento de los regolitos reales difiere según el ángulo linealizado de fricción interna (LAIF, ϕ), el ángulo efectivo de fricción interna (EAIF, δ), la función de flujo (ffc), la cohesión c y la compresibilidad, dependiendo del entorno en el que se miden los regolitos. , lugar de excavación del regolito, entorno de origen del regolito y entorno de transformación del regolito. La composición de los regolitos varía de un lugar a otro debido a la variabilidad en las colisiones de asteroides y la erosión por el viento o el agua. Por lo tanto, será crucial poder medir las propiedades físico-mecánicas de los regolitos in situ y los recursos materiales a granel durante las misiones de exploración11.

Debido a que el transporte de cualquier equipo desde la Tierra es muy costoso, actualmente pueden pasar años hasta que las piezas de repuesto lleguen a la órbita. Este problema se ha superado parcialmente mediante la tecnología de modelado de depósitos fusionados (FDM, marca registrada de Stratatys) modificada para microgravedad12. FDM es un tipo de fabricación aditiva (AM), donde se construye una geometría 3D mediante capas superpuestas de filamento termoplástico extruido13. La tecnología FDM modificada por proyectos Made in Space14,15 explora la posibilidad de crear herramientas16 que los astronautas necesitan actualmente para reparar o trabajar. FDM permite el uso de una amplia gama de termoplásticos13 que son livianos pero duraderos y pueden soportar un cierto grado de carga mecánica cuando se diseñan adecuadamente. La impresión FDM también es muy precisa y la mayoría de sus ventajas se deben a la cámara de impresión cerrada que permite mantener la temperatura interna (cama calentada por aire con boquilla). Conduce a mejores propiedades mecánicas, donde se fortalece la adhesión entre capas y se evita la deformación y curvatura de las piezas impresas16. Sin embargo, la tecnología es muy costosa y no está ampliamente disponible para la investigación. Ampliar la capacidad y las opciones para imprimir piezas bajo demanda en órbita o durante misiones de exploración reducirá el tiempo necesario para poner las piezas en órbita, reducirá los costos de la misión, reducirá la necesidad de tener todas las herramientas y piezas a bordo, al tiempo que aumentará la confiabilidad y Seguridad de las misiones espaciales.

A pesar de los avances en el campo de la impresión 3D, faltan estudios sobre el uso de elementos impresos en aparatos de medición y/o dispositivos destinados a medir materiales a granel. Traciak et al.17 desarrollaron un dispositivo impreso en 3D para medir la tensión superficial de nanofluidos y demostraron que el resultado de la medición es comparable al de los dispositivos comerciales. Bernard y Méndez18 presentaron un polarímetro de bajo costo para ser utilizado por los estudiantes durante las clases. El estudio19 describió el comportamiento dinámico de los sensores de tensión impresos en 3D integrados en estructuras y apoyó la afirmación de que los sensores impresos en 3D podrían usarse para mediciones dinámicas. El estudio20 informó sobre el diseño de un sistema interferométrico compacto impreso en 3D para teléfonos móviles para medir ángulos pequeños. Todos estos estudios muestran el alto potencial de los dispositivos de impresión 3D y la falta de orientaciones específicas para la fabricación de equipos de medición.

Para llenar el vacío en esta área, el objetivo de este estudio fue investigar la posibilidad de utilizar instrumentos de medición fabricados mediante el método de impresión 3D por extrusión de materiales para medir propiedades físico-mecánicas seleccionadas de materiales a granel. Debido a la inasequibilidad de la tecnología de impresión 3D FDM y los problemas relacionados, como probar los efectos de entornos de alta radiación en herramientas de medición impresas, en este estudio se utilizó la tecnología de impresión 3D de fabricación de filamentos fundidos (FFF). Por lo tanto, este artículo presenta un estudio de viabilidad de la medición de las propiedades físico-mecánicas de materiales a granel utilizando instrumentos impresos en 3D, en caso de que surjan motivos para hacerlo. Lu et al.21, Li et al.22 y Pelech et al.23 demostraron por qué se deben medir importantes propiedades físico-mecánicas de los simulantes de regolito lunar. Además, no se investiga el uso de instrumentos impresos en 3D para medir propiedades físico-mecánicas estandarizadas de materiales particulados. Estas razones para imprimir instrumentos de medida originales o modificados también se encuentran en la Tierra, como la necesidad de un menor peso de los instrumentos de medida, la posibilidad de preimprimir un juego de instrumentos de medida de laboratorio o de imprimir el juego in situ, para reemplazar una pieza dañada con una nueva pieza impresa en 3D bajo demanda, la indisponibilidad logística, la personalización de las pruebas estandarizadas para una mejor comprensión del comportamiento de los materiales particulados y un costo de fabricación más económico. Los instrumentos impresos en 3D se prefieren cuando se necesita versatilidad de los instrumentos, peso ligero y/o resultados rápidos en ubicaciones extremas. Si las condiciones son de laboratorio y el material particulado medido no tiene propiedades inusuales que requieran herramientas de medición personalizadas, se deben realizar pruebas estandarizadas.

Suponiendo que los instrumentos de medición se utilizarán para la misión de exploración, también se probaron muestras de simulaciones de regolito. Las mediciones de las propiedades físico-mecánicas como EAIF (δ), LAIF (ϕ), ffc, cohesión c, compresibilidad, energía de fluidez básica BFE, índice de estabilidad SI e índice de caudal FRI para simulantes de regolito lunar: simulador de yegua lunar ( LMS-1) y el simulador de tierras altas lunares (LHS-1) del CLASS Exolith Lab en Orlando, EE. UU. EAIF (δ), LAIF (ϕ), ffc, c y compresibilidad son características fundamentales del flujo de material a granel, que se utiliza para diseñar equipos de almacenamiento, manipulación y proceso. En primer lugar, se caracterizaron dos polvos de regolito lunar por la distribución del tamaño de sus partículas y su morfología. En segundo lugar, se compararon los resultados entre instrumentos de medición estándar e instrumentos impresos en 3D a partir de materiales de ácido poliláctico y acrílico estireno acrilonitrilo. Se compararon los valores de EAIF (δ), LAIF (ϕ), ffc, c, compresibilidad, SI, FRI y BFE. Los resultados presentados en este artículo mostraron repetibilidad y precisión similar para los métodos de prueba de la prueba de corte anular de Schulze, la prueba de corte FT4 de Freeman, la prueba estándar de compresibilidad FT4 de Freeman y la prueba estándar de estabilidad y caudal FT4 de Freeman. Esto demostró la aplicabilidad de los instrumentos impresos en 3D para los métodos de prueba en entornos extraterrestres o de difícil acceso.

Los materiales y métodos se refieren a dos áreas. La primera área son los materiales y métodos relacionados con los instrumentos de medición impresos fabricados mediante fabricación de filamentos fundidos. El segundo ámbito de interés es el material a granel (regolito) utilizado para probar los instrumentos de medición fabricados. La subsección de Pruebas de materiales a granel describe todas las pruebas relacionadas con el examen del rendimiento de los instrumentos de medición impresos en 3D, de los instrumentos de medición impresos en 3D en combinación con componentes originales de acero inoxidable y de los instrumentos originales de acero inoxidable.

Los instrumentos de medición se imprimieron mediante tecnología de impresión 3D de fabricación de filamentos fundidos (FFF) en una impresora Prusa i3 MKS3 (Praha, República Checa), que se muestra en la Figura 1a. Se utilizaron filamentos PLA y ASA fabricados por Prusament. El filamento ASA es el sucesor del filamento ABS con propiedades superiores, como estabilidad a los rayos UV, alta resistencia al impacto, resistencia al desgaste y una capacidad de impresión más sencilla para el método de impresión FFF24.

(a) Impresora Prusa i3 MKS3 con hoja y recipiente impresos en 3D de FT4; (b) Celda de corte de tamaño S de Schulze con tapa (de arriba a abajo: aluminio, CAD 3D de Autodesk Inventor 2021, impreso en 3D); (c) Célula de corte de Schulze cortada en PrusaSlicer versión 2.3.0. Esta figura fue creada en Gimp 2.10.32.

La impresora Prusa i3 MKS3 utiliza máquinas controladas numéricamente con código G, lo que permite a los usuarios proporcionar instrucciones que indiquen a los motores dónde moverse, qué tan rápido deben moverse, qué camino seguir y qué tan rápido alimentar el filamento. Antes de crear el código G, se crea un modelo CAD 3D del original que podría imprimirse en 3D como se muestra en la Figura 1b. Los códigos G para las impresiones se cortaron en PrusaSlicer versión 2.3.0 con una altura de capa de 0,20 mm, como se muestra en la Figura 1c. El relleno de todas las piezas tenía diferentes rellenos que se muestran en esta sección. El patrón de relleno se eligió como giroide, excepto para el 100% de relleno, que se ve obligado a ser rectilíneo. Los instrumentos de PLA se imprimieron a una temperatura de extrusión de 210 °C y una temperatura de lecho de 60 °C. Los instrumentos ASA se imprimieron a una temperatura de extrusión de 260 °C y 110 °C.

Para las pruebas RST-01.pc (RST) de Schulze, utilizamos un conjunto de celda de corte y tapa de diferentes materiales (aluminio original, impreso en PLA, impreso en ASA). Las pruebas RST se describen en la siguiente subsección Pruebas de materiales a granel.

Para las pruebas del Freeman's Flow Tester 4 (FT4), utilizamos un recipiente medidor de muestra de 85 ml como conjunto de piezas que contendrán la muestra en polvo durante las mediciones. Los vasos e instrumentos de muestra impresos en 3D se imprimieron con filamentos PLA y ASA. Estos instrumentos impresos requirieron modificaciones de diseño para soportar cargas mecánicas. Los recipientes impresos se imprimieron todos o parcialmente en 3D y también estaban compuestos por componentes originales, como el pistón de compresión y la cuchilla fabricados en acero inoxidable. En general, utilizamos un conjunto de especímenes (acero inoxidable original, impreso en PLA, impreso en ASA) y sus combinaciones (recipiente original con cuchilla de PLA, recipiente original con cuchilla de ASA, recipiente de PLA con cuchilla original y recipiente de ASA con cuchilla original). cuchilla). Las pruebas FT4 se describen en la siguiente subsección Pruebas de materiales a granel.

La tecnología de impresión 3D de fabricación de filamentos fundidos (FFF) crea piezas capa por capa. Una consecuencia de la estratificación es la presencia de poros y heterogeneidades que provocan un comportamiento anisotrópico y una orientación preferencial de las grietas25. La resistencia de las piezas al daño mecánico depende de la orientación de las capas depositadas26,27,28. Por tanto, la orientación de las piezas en la base de la impresora 3D es una consideración importante a la hora de fabricar componentes29,30,31. La orientación de los instrumentos de medición se eligió en consecuencia, como se muestra en la Figura 2, y se realizaron modificaciones de diseño en los instrumentos de medición para evitar daños debido a cargas mecánicas. La Figura 2 es ilustrativa para mostrar las capas de las piezas de abajo hacia arriba y la imagen no muestra el material de soporte, la interfaz del material de soporte, el faldón, el relleno del puente ni el perímetro saliente. Las capas se apilan de abajo hacia arriba. La Figura 2a muestra la pequeña celda anular, la tapa y los pasadores de accionamiento de Schulze. La Figura 2b muestra las capas de la parte inferior, la parte superior y el embudo del FT4. La Figura 2c muestra las capas del eje del FT4 con la tuerca, el cabezal de corte, la cuchilla y el pistón ventilado.

(a) Las capas de la celda anular pequeña de Schulze (tamaño S), la tapa y los pasadores de accionamiento; (b) las capas de la parte inferior, la parte superior y el embudo del FT4; (c) la superposición del eje del FT4 con la tuerca, el cabezal de corte, la cuchilla y el pistón ventilado. Las capas fueron generadas por PrusaSlicer versión 2.3.0. Esta figura fue creada en Gimp 2.10.32.

La celda anular pequeña de Schulze (tamaño S)32 se imprimió con la placa inferior como una sola pieza. Se imprimieron por separado tres pasadores con ajuste de interferencia para girar la celda mediante el eje motriz. La tapa de Schulze's a juego con la pequeña celda anular se imprimió como una sola pieza. Las barras de corte32 se engrosaron de 1 a 2 mm y no se utilizaron tornillos. El diseño de la celda de corte con tapa original, modelada en 3D y fabricada con PLA se muestra en la Fig. 1b. Las piezas pesadas, las piezas impresas pesadas con soportes y su porcentaje de relleno utilizado en la impresión se muestran en la Tabla 1. La celda de corte de aluminio original pesaba 728,4 gy la tapa de aluminio original con barras de corte de acero inoxidable pesaba 235,4 g. Las piezas impresas en PLA pesaban 2,6 veces menos y la celda impresa en ASA pesaba casi 3 veces menos que las piezas originales. El relleno utilizado para todas las piezas impresas de Schulze fue del 100%. Las diferencias de peso se deben a las diferentes densidades de los materiales. El aluminio tiene una densidad de 2,7 g.cm-3, el filamento PLA tiene una densidad de 1,24 g.cm-3 y el filamento ASA tiene una densidad de 1,07 g.cm-3.

El conjunto de medición FT4 impreso en 3D y el conjunto de medición original se muestran en las Figuras 3b y c. El recipiente de muestra de FT4 se fabricó originalmente con cinco piezas, que se redujeron a dos. La parte inferior impresa en 3D reemplazó al recipiente de 85 ml con un diámetro interior de 48 mm, su fondo extraíble, el soporte que lo mantiene en su lugar durante la medición y el soporte giratorio para la parte superior. La parte superior impresa en 3D se reemplazó por el recipiente superior de 85 ml con un diámetro interior de 48 mm y está asentado de manera pivotante en la parte inferior. El conjunto de recipiente original de dos recipientes de 85 ml con fondo removible, un soporte que mantiene todo el recipiente en su lugar durante la medición y un soporte giratorio para la parte superior pesaba 291,8 g. El conjunto de recipiente original para medir el ángulo de fricción interna se diferenciaba por tener un fondo extraíble para la fricción interna y pesaba 289,9 g. Los conjuntos de recipientes impresos en PLA para mediciones de compresibilidad y fricción interna pesaban aproximadamente 3 veces menos que los conjuntos originales. Los conjuntos de recipientes impresos por ASA pesaban más de 3,3 veces menos que los conjuntos originales.

Diseño de los instrumentos FT4 (a) eje impreso, cuchilla, pistón ventilado y cabezal de corte del FT4; (b) Conjunto de medición de FT4 impreso en PLA; (c) juego de medición original del FT4. Esta figura fue creada en Gimp 2.10.32.

El embudo impreso en 3D tenía una altura reducida, lo que no afecta la medición. El embudo original está hecho de plástico y pesa 30,7 g. El embudo impreso en PLA pesaba 25,8 g y el embudo impreso en ASA pesaba 22,2 g.

Los instrumentos de medición FT4, como el cabezal de corte, la cuchilla y el pistón ventilado, se imprimieron en 3D en dos partes. La primera parte fue el eje con la tuerca, que era igual para los tres instrumentos de medición. El eje se conectó a la segunda parte mediante el extremo de un eje de sección transversal cuadrada (Figura 3a). Esta conexión conformada transmite el par sin que las dos partes de la herramienta de medición giren entre sí. La precisión de fabricación del método de impresión FFF creó una ligera superposición que permitió unir las dos partes a mano pero no requirió protección contra la expulsión. Se eligió un relleno del eje del 7 % para superar la deformación durante la impresión con filamento ASA. La configuración de relleno mejora las dimensiones y tolerancias geométricas, como el descentramiento radial y el descentramiento total del eje. Las segundas partes de la hoja, el pistón ventilado y el cabezal de corte se imprimieron con una configuración de relleno del 15 %. Se realizaron modificaciones en el diseño de los instrumentos para evitar daños debidos a cargas mecánicas, las barras de corte del cabezal de corte se engrosaron de 0,1 a 0,8 mm y la hoja se engrosó de 0,7 a 1,8 mm. El cabezal de corte impreso en 3D se imprimió como una sola pieza, por lo que no se utilizaron tornillos en el diseño. La hoja se modificó aún más para garantizar fuerzas y pares similares durante el acondicionamiento de las muestras medidas. La curvatura de la hoja tenía menos flexión, lo que resultaba en un ángulo más pequeño en cada extremo de la hoja (Figura 3a). La hoja original tenía el extremo curvado en un ángulo de 70 grados, mientras que el extremo de la hoja impresa en 3D solo está curvado en un ángulo de 40 grados.

El precio de la impresión 3D tiene sus ventajas. El material para impresión 3D (PLA y ASA) es aproximadamente 3 veces más caro por kilogramo en comparación con el aluminio o el acero inoxidable. Sin embargo, los instrumentos impresos en 3D son entre 2,5 y 10 veces más ligeros que los originales. Si se tienen en cuenta los residuos de producción, la diferencia en el peso del material es aún mayor. Los costos se diversifican dependiendo del costo del mecanizado, la complejidad del mecanizado y la necesidad de cambiar las herramientas de mecanizado. En cambio, la impresión 3D es más versátil, más sencilla y con menor peso del producto final. Los costos de producción de los instrumentos originales son al menos 30 veces más altos que los de los instrumentos impresos en 3D.

Regolito es un término terrestre que también se utiliza para referirse a materiales de otros cuerpos celestes. Hoy en día, se utiliza como expresión común para una capa de material rocoso fragmentario. La formación y evolución del regolito es un proceso complejo. En la formación del regolito lunar se han determinado dos mecanismos básicos. En primer lugar, destructivo, que consiste en la excavación del regolito existente mediante cráter de impacto, y en segundo lugar, constructivo, que consiste en la adición de nuevas capas. Estos procesos causan diferencias estructurales y estratigráficas muy amplias en el regolito, incluso entre lugares separados por pocos metros11.

Los polvos simulantes de regolito lunar son terrestres y se basan en muestras analizadas mediante experimentos realizados directamente en la Luna o monitorizados remotamente desde la Tierra11. Como se mencionó anteriormente, los materiales utilizados en este estudio son dos simulantes de regolito lunar. Estos dos polvos fueron fabricados por CLASS Exolith Lab. Los simulantes, que se muestran en la Fig. 4a, están hechos de materiales terrestres naturales en un entorno terrestre y, por lo tanto, no se pueden copiar todas las propiedades del simulante de yegua lunar (LMS-1) y del simulador de tierras altas lunares (LHS-1). El productor garantiza propiedades como mineralogía, química general y distribución del tamaño de partículas. Sin embargo, la forma de las partículas, la reactividad, la oxidación y la erosión son propiedades mal simuladas en los simulantes.

(a) Simulador de regolito lunar LHS-1 (arriba) y LMS-1 (abajo); (b) Configuración del ensayo de corte de Schulze; (c) Configuración de la prueba de corte de FT4. Esta figura fue creada en Gimp 2.10.32.

Aunque el fabricante garantiza que el tamaño de partícula está entre 0 y 1 mm, se realizó un análisis granulométrico. Se utilizó el analizador láser Cilas 1190 (Cilas, Orleans, Francia) para medir la distribución del tamaño de partículas mediante el método de difracción Fraunhofer31. Se utilizó agua como medio de medición porque ni LHS-1 ni LMS-1 se disolvieron en agua. Se utilizó sonicación durante las mediciones para asegurar la dispersión completa de la muestra. La muestra dispersa en el medio se midió utilizando una luz coherente con una longitud de onda de 830 nm procedente de un diodo láser de baja potencia. Los valores resultantes se evaluaron directamente en el dispositivo Cilas33,34. La interpretación se basó en la teoría de Fraunhofer35. Cada muestra se midió tres veces, por lo que los parámetros resultantes son los valores promedio de dmean, d10, d50 y d90.

La forma de las partículas es una propiedad de un material a granel que afecta su comportamiento durante la extracción, procesamiento y almacenamiento. Como se mencionó anteriormente, el fabricante de simuladores de regolito lunar no intenta simular formas exactas de las partículas. El regolito lunar se forma mediante varios procesos que son los impactos constantes de asteroides grandes y pequeños y que son exclusivos de las condiciones sin aire de la Luna11. Por lo tanto, la evaluación de las formas de las partículas presentada en este artículo es sólo ilustrativa y se basa en fotografías de microscopio electrónico de barrido (SEM).

Se utilizaron las siguientes pruebas para probar el rendimiento de los instrumentos de medición impresos. Para verificar la estabilidad de la medición de los instrumentos impresos, también utilizamos instrumentos impresos en 3D en combinación con instrumentos originales de acero inoxidable e instrumentos de acero originales.

Las propiedades de corte muestran la facilidad con la que fluyen las partículas. Para que se produzca un flujo de material particulado, se debe superar el límite elástico. El límite elástico está muy influenciado por las propiedades físico-mecánicas de las partículas, como las propiedades de la superficie, la forma y el tamaño. Otras variables, como el contenido de humedad, las fuerzas de Van der Waals o el nivel de aditivo de flujo, también afectan el flujo del material a granel. Las propiedades de corte de los materiales a granel se utilizan en el diseño de equipos de manipulación, almacenamiento y proceso.

Las propiedades de flujo de los materiales a granel se utilizan en diversas aplicaciones36, generalmente cuantificadas como ángulo linealizado de fricción interna (LAIF, ϕ), ángulo efectivo de fricción interna (EAIF, δ) y función de flujo ffc para describir el comportamiento del material a granel37. Los valores de EAIF (δ), LAIF (ϕ), ffc y cohesión c se midieron en Schulze Ring Shear Tester RST-01.pc (Wolfenbuttel, Alemania, Fig. 4b y Freeman's FT4 Powder Tester (Freeman Technology, Tewkesbury, Gloucestershire). , Reino Unido, Fig. 4c 38. Los principales parámetros monitoreados son EAIF (δ), LAIF (ϕ), cohesión c y función de flujo ffc39,40.

Las mediciones de AIF (δ, ϕ), ffc y c tuvieron una tensión normal previa al corte de 10 000 Pa, puntos de corte con valores de tensión normal de 250 Pa, 500 Pa, 1 000 Pa, 2 500 Pa, 5 000 Pa y 7 500 Pa. Los valores resultantes de AIF (δ, ϕ), ffc y cohesión c fueron el promedio de diez mediciones. Se realizaron doce combinaciones de mediciones para dos dispositivos de medición, dos simulantes de regolito lunar (LHS-1 y LMS-1) y tres materiales del juego de medición (acero y materiales plásticos aditivos), dando un total de 120 mediciones. Los métodos para medir AIF (δ, ϕ), ffc yc fueron rotacionales. Sin embargo, hubo diferentes procedimientos de medición y características en la celda de corte. Una comparación reciente mostró que en la mayoría de los casos, se obtienen valores más bajos de EAIF (δ), LAIF (ϕ) y ffc utilizando FT436. Debido a la incomparable geometría, proporciones de área y tamaños de celda, el volumen total de muestra difiere. En general, este comportamiento se deriva de la propiedad de los materiales a granel de que el material a granel fluye con menos facilidad a través de secciones transversales más pequeñas.

La celda de corte anular y la tapa de Schulze, y el recipiente de muestra, el embudo, la cuchilla, el pistón ventilado y el cabezal de corte de FT4 se imprimieron en 3D a partir de filamentos de PLA y ASA. Los diseños de instrumentos impresos y sus modificaciones se describen en la sección Equipos impresos de fabricación de filamentos fundidos. Todas las piezas impresas en 3D se calibraron adecuadamente antes de la medición porque ejercían menos presión debido a su menor peso.

La compresibilidad es una propiedad de los materiales a granel que muestra el cambio en la densidad aparente en función de la presión de consolidación. La medición de la compresibilidad no es una propiedad de corte ni una propiedad de flujo del material a granel, sino que depende de cantidades similares. Esta propiedad se ve afectada por la distribución del tamaño de las partículas, la cohesión, la textura de la superficie de las partículas, la forma de las partículas y la rigidez de las partículas. La compresibilidad es una propiedad importante para el diseño de equipos de proceso como silos, transportadores, mezcladores, equipos de compactación y prensas de tabletas41.

La compresibilidad se midió con el reómetro de polvo FT4 de Freeman Technology con una prueba de compresibilidad estándar42. La prueba estándar obtuvo datos expresando el porcentaje de compresibilidad para una carga normal de 0,5 a 15 kPa aplicada sobre la muestra. Se midieron muestras de simulantes de regolito lunar en un recipiente de muestra de 85 ml con un diámetro de 50 mm. Se utilizó un pistón de compresión ventilado con un diámetro de 47,5 mm y una cuchilla de 48 mm.

Estas modificaciones de diseño se describieron en la sección Equipos impresos de fabricación con filamento fundido. Para cada conjunto de instrumentos (acero inoxidable original, impreso en PLA, impreso en ASA), se realizaron 10 mediciones.

El índice de estabilidad (SI), el índice de caudal (FRI) y la energía de fluidez básica (BFE) se analizaron utilizando el reómetro de polvo FT4 de Freeman de la manera descrita anteriormente (Freeman Technology, Tewkesbury, Gloucestershire, Reino Unido)42. Las mediciones SI, FRI y BFE se realizan utilizando la prueba estandarizada preestablecida en el reómetro de polvo FT4. Las mediciones de SI y FRI se realizaron en un recipiente de 65 ml. Se tomaron cinco mediciones para cada conjunto de materiales de instrumentos (acero inoxidable original, PLA impreso, ASA impreso) y sus combinaciones (recipiente original con hoja de PLA, recipiente original con hoja de ASA, recipiente de PLA con hoja original y recipiente de ASA con hoja original). .

El índice de estabilidad (SI) de un polvo42 muestra las propiedades de flujo condicionadas bajo la acción de fuerzas durante el flujo, que pueden cambiar debido a la tendencia del polvo a la aglomeración, el apelmazamiento y el desgaste. El programa SI mide el material particulado mediante una secuencia de acondicionamiento seguida de un ciclo de prueba. Los ciclos de prueba se repiten siete veces. Los siete puntos de medición forman una línea recta y cuanto más estable sea el polvo, más recta será la línea. El SI se define como la relación entre la energía consumida durante la prueba 7 y la energía consumida durante la prueba 143. Cuanto más se acerca el SI a 1, más estable es el polvo medido. Si el SI > 1, el polvo medido se ve afectado por la absorción de humedad, segregación, aglomeración, desaireación y carga electrostática. Si el SI < 1, entonces el polvo medido se ve afectado por una mezcla excesiva, desaglomeración, desgaste y recubrimiento de aditivos de la cuchilla y del recipiente42.

La variable FRI42 se mide como un flujo decreciente en los puntos de medición 8 al 11, donde el Caudal de la pala disminuye de 100 mm.s-1 a 10 mm.s-1. El FRI de la pala indica la sensibilidad del polvo medido y se expresa como índice de caudal (FRI). Los polvos no cohesivos muestran menos cambios sensibles para el FRI, que se define como la relación entre la prueba de energía 11 y la prueba de energía 842. El FRI < 1 tiene polvos con un flujo extremadamente bueno. El FRI = 1 tiene polvos con un recubrimiento superficial o una distribución de tamaño de partícula grande, lo que los hace insensibles a los cambios en el caudal. La mayoría de los polvos medidos tienen una sensibilidad de caudal 3 > FRI > 1,5. Si el FRI > 3, entonces el polvo es demasiado sensible al cambio en el caudal43.

La Energía de Fluibilidad Básica (BFE)42 es una propiedad definida por la energía consumida para el punto 7 durante la prueba de flujo variable estandarizada, que corresponde a la energía de flujo43. La energía consumida por el flujo específico se genera en el volumen exacto del recipiente a medida que la pala se mueve hacia abajo.

Las distribuciones de tamaño de partículas de los simulantes de regolito LHS-1 y LMS-1 se muestran en la Figura 5 y los valores de dmean, d10, d50 y d90 se dan en la Tabla 2.

La distribución del tamaño de partículas (diferencial y acumulativa) para los simulantes de regolito LMS-1 y LHS-1.

Para ambos simulantes, todas las partículas eran menores de 500 µm. LHS-1 tenía partículas más pequeñas que LMS-1, como se muestra en la Tabla 2. Los parámetros dmean, d10, d50 y d90 muestran que la diferencia en el tamaño de partícula se debe a una mayor representación de una fracción mayor de 80 a 400 µm. Las fotografías SEM complementan adecuadamente la caracterización de LMS-1 y LHS-1 (Figura 6). Las fotografías muestran la forma angular facetada de las partículas simuladas del regolito lunar.

Fotografías con microscopio electrónico de barrido (SEM) de simulantes de regolito lunar (a) LMS-1 y (b) LHS-1.

Los valores de EAIF (δ), LAIF (ϕ), función de flujo ffc y cohesión c son valores promediados de 10 mediciones. La Tabla 3 muestra EAIF (δ) con desviación estándar (SDδ), su valor máximo (δmax) y su valor mínimo (δmin), LAIF (ϕ) con desviación estándar (SDϕ), valor máximo (ϕmax) y su valor mínimo. (ϕmín). La Tabla 4. muestra la función de flujo ffc con desviación estándar (SDffc), su valor mínimo (ffcmin) y valor máximo (ffcmax), cohesión c con desviación estándar (SDc), su valor mínimo (cmin) y valor máximo (cmax). Como se puede ver en las tablas (a continuación), los datos se dividieron en dos partes, la mitad superior con la muestra LMS-1 y la mitad inferior con la muestra LHS-1. Cada mitad de las tablas se basa en mediciones RST y FT4 de la combinación adecuada de simulante de regolito y conjunto de instrumentos de corte.

La comparación entre los métodos de medición RST y FT4 no debe realizarse sin ambigüedades. Los valores de EAIF (δ), LAIF (ϕ), ffc y c correspondieron al tamaño de la superficie de corte, siendo mayores para el RST (8482 mm2) y menores para el FT4 (1879 mm2)44. Sin embargo, una comparación de los métodos de prueba de corte estándar RST y FT4 entre los simulantes de regolito LMS-1 y LHS-1 mostró una fluidez ligeramente mejor del polvo LHS-1. Las propiedades de flujo resultantes de LHS-1 se deben a la mayor fracción de partículas por debajo de 80 µm en el polvo. Las partículas más pequeñas actúan como un lubricante que permite que las partículas más grandes giren a una posición con posibilidad de movimiento. La cohesión c muestra el macroefecto de las propiedades de flujo de los polvos.

La correlación entre LMS-1 y LHS-1 es interesante, ya que el polvo anterior tuvo peores resultados de comparación para conjuntos de instrumentos de diferentes materiales. Los resultados obtenidos de las mediciones del polvo LMS-1 en RST con la celda de corte y la tapa de aluminio originales tuvieron una fluidez ligeramente peor que las mediciones con las celdas y tapas impresas de PLA y ASA. Esto es evidente a partir de los valores más bajos de ffc y los valores más altos de EAIF (δ) y LAIF (ϕ) medidos con el conjunto original en comparación con las mediciones del instrumento impreso en 3D. La celda de corte impresa con ASA y la tapa mostraron la desviación estándar más pequeña para EAIF (δ) y LAIF (ϕ). Aunque el valor de desviación estándar para ffc fue el más pequeño para el conjunto de instrumentos original, la diferencia con otros conjuntos de materiales fue insignificante. La observación más sorprendente que surgió de la comparación de datos fue la del polvo LMS-1 medido en FT4. Las diferencias entre AIF (δ, ϕ) fueron de hasta 3°, y la diferencia en ffc fue de hasta 2°. Sin embargo, los EAIF (δ) y ffc ligeramente peores del LMS-1 medidos en FT4 se deben a la sección transversal más pequeña del vaso de corte.

Curiosamente, para el polvo LHS-1, se observó una buena correlación de los resultados medidos en el RST entre las tres combinaciones de la celda de corte y los materiales de la tapa. El peor ffc se midió en el RST con instrumentos originales para polvo LHS-1, pero la diferencia con los conjuntos de instrumentos de otros materiales fue insignificante. Incluso en el caso de las mediciones de polvo LHS-1 en FT4, se encontró una correlación positiva significativa entre los tres conjuntos de instrumentos de medición. Los valores de ffc medidos en el FT4 mostraron la mejor correlación de todas las mediciones al comparar entre conjuntos de instrumentos de diferentes materiales.

Pasamos ahora a los resultados experimentales de la cohesión c, que muestra una correlación con las desviaciones EAIF (δ), LAIF (ϕ) y ffc. El polvo LMS-1 muestra diferencias significativas en los resultados de cohesión c. Los resultados medidos de la cohesión c son algo contrarios a la intuición. Esto se debe a los valores reducidos que se midieron en el RST con los instrumentos impresos PLA y ASA, pero a los valores aumentados medidos en el FT4 con los instrumentos impresos PLA y ASA en comparación con los conjuntos de instrumentos originales para ambos dispositivos.

Los valores resultantes, mostrados en la Fig. 7, se promediaron a partir de diez mediciones del cambio porcentual de volumen después de la compresión. Las curvas de compresibilidad presentadas muestran una alta concordancia cuando se comparan los instrumentos originales y los impresos en 3D. El polvo LHS-1 con partículas más finas tenía una mayor compresibilidad. Para 15 kPa de tensión normal aplicada, su volumen cambió en más del 10%. El polvo LMS-1 mostró una compresibilidad superior al 6% para 15 kPa de tensión normal aplicada.

Compresibilidad de los polvos LMS-1 y LHS-1 medida con instrumentos originales e impresos en 3D.

El objetivo del estudio fue investigar el efecto de los instrumentos y vasos impresos en 3D sobre los valores de compresibilidad medidos. Los valores mostraron desviaciones insignificantes como se muestra en la Fig. 7. Un hallazgo inesperado fue que el corte del polvo después del acondicionamiento inicial tuvo el mayor efecto en el resultado medido. Si bien este corte del polvo no se produjo casi perfectamente en el plano, el resultado posterior fue notablemente diferente. Este hallazgo se aplica tanto al recipiente original como al recipiente impreso en 3D. Sin embargo, los recipientes impresos en 3D tenían una superficie ligeramente más pobre en el plano de corte, lo que intensificó el efecto y la necesidad de un corte perfecto del polvo. Una correlación positiva significativa entre el tamaño del diámetro del pistón ventilado impreso en 3D y los resultados de compresibilidad. Debido a la contracción durante la impresión 3D, el tamaño del diámetro en el modelo CAD se modificó para que coincida con el pistón ventilado original después de la impresión 3D.

Los resultados de la dependencia de la energía consumida durante las pruebas con la velocidad de la punta de la pala se muestran en la Fig. 8. Los resultados son el promedio de 5 mediciones. Ambos polvos mostraron valores muy estables de Índice de Estabilidad (SI). Sin embargo, los valores del Índice de Caudal (FRI) mostraron un comportamiento diferente para los dos regolitos. La diferencia más significativa estuvo en el consumo de energía durante las pruebas, donde el regolito en polvo LMS-1 mostró un BFE [mJ] mucho mayor que el regolito en polvo LHS-1.

Resultados promedio para las pruebas estandarizadas de índice de estabilidad, índice de caudal y energía de fluidez básica: izquierda LMS-1, derecha LHS-1.

La mayor desviación del SI para la medición del LMS-1 se produjo en el recipiente original con una hoja impresa en ASA, donde SI = 1,00 con una desviación estándar menor que σSI = 0,024, el valor mínimo de SImin = 0,96 y el valor máximo de SImax = 1,02. Las otras mediciones del LMS-1 tuvieron el valor SI promedio de 0,97 < SI < 1,02, una desviación estándar menor que σSI = 0,02, el valor mínimo SImin = 0,95 y el valor máximo SImax = 1,04. Se midieron valores SI similares para el regolito en polvo LHS-1. La mayor desviación en la medición del SI fue para el vaso impreso ASA con la cuchilla original, donde el valor promedio SI = 1.01 tuvo una desviación estándar menor a σSI = 0.038, el valor mínimo SImin = 0.97 y el valor máximo SImax = 1.08. Para las otras mediciones del LHS-1, el SI promedio fue menor que 0,97 < SI < 1,02, la desviación estándar menor que σSI = 0,029, el valor mínimo SImin = 0,94 y el valor máximo SImax = 1,03.

Aunque SI mostró una estabilidad similar para ambos polvos, el FRI mostró un comportamiento diferente. La mayor desviación en la medición de FRI del regolito de polvo LMS-1 fue para la vasija original con hoja impresa ASA, donde el valor promedio de FRI = 1,20 con la desviación estándar menor que σFRI = 0,034, el valor mínimo FRImin = 1,16 y el valor máximo FRImax = 1,24. Las otras mediciones del LMS-1 tuvieron el valor FRI promedio de 1,17 < FRI < 1,23, la desviación estándar menor que σFRI = 0,015, el valor mínimo FRImin = 1,15 y el valor máximo FRImax = 1,23. La medición FRI del regolito en polvo LHS-1 mostró una diferencia, con el valor FRI promedio oscilando 1,56 < FRI < 1,76, siendo la desviación estándar menor que σFRI = 0,036, siendo el valor mínimo FRImin = 1,54 y siendo el valor máximo FRImax = 1.81. El polvo LMS-1 mostró menos sensibilidad que el polvo LHS-1.

Los valores de energía de fluidez básica (BFE) mostraron la dependencia de la velocidad de la punta de la pala de 100 mm.s-1 con el consumo de energía durante la prueba 7. Se encontró una fuerte correlación entre la técnica de fabricación de la vasija y el consumo de energía durante la prueba. Debido a las capas del recipiente que se forman durante la impresión 3D, el consumo de energía aumentó. Se mencionó una descripción más detallada de la modificación y la impresión 3D en la sección Equipos impresos de fabricación de filamentos fundidos.

Las mediciones de BFE del polvo LMS-1 con el recipiente original arrojaron valores promedio en el rango de 4 843 mJ < BFE < 5 092 mJ, con la desviación estándar σBFE = 200 mJ, el valor mínimo BFEmin = 4 692 mJ y el máximo valor BFEmáx = 5 291 mJ. Cuando se midieron en los recipientes impresos en 3D, los valores de BFE aumentaron en 1 435 mJ a valores promedio en el rango de 6 277 mJ < BFE < 6 487 mJ, con la desviación estándar σBFE = 172 mJ, el valor mínimo BFEmin = 6 133 mJ y el valor máximo BFEmax = 6 777 mJ.

Las mediciones del polvo LHS-1 mostraron un aumento similar en el consumo de energía para el recipiente no original. Los valores promedio de BFE para el recipiente original oscilaron entre 2 473 mJ < BFE < 2 658 mJ, con la desviación estándar σBFE = 81 mJ, el valor mínimo BFEmin = 2 382 mJ y el valor máximo BFEmax = 2 749 mJ. Los valores promedio de BFE aumentaron en 976 mJ cuando se midieron en los recipientes impresos en 3D, dando un rango de 3 422 mJ < BFE < 3 617 mJ, con la desviación estándar σBFE = 162 mJ, el valor mínimo BFEmin = 3 291 mJ y el máximo valor BFEmáx = 3 837 mJ. Los valores promedio de BFE medidos en los recipientes impresos en 3D podrían mejorarse tratando la superficie interna del recipiente después de la impresión 3D. Sin embargo, esta comparación mostró la importancia del material del recipiente y del método de fabricación.

El objetivo de este estudio fue investigar la posibilidad de utilizar instrumentos de medición fabricados mediante el método de impresión 3D por extrusión de materiales para medir propiedades físico-mecánicas seleccionadas de materiales a granel en condiciones extremas. Este estudio demostró que los métodos de medición utilizados, como la prueba de corte anular de Schulze, la prueba de corte de FT4, la prueba de compresibilidad de FT4 y las pruebas de estabilidad y caudal de FT4, se pueden llevar a cabo utilizando instrumentos de medición intercambiables. Sin embargo, esta problemática tiene sus problemas y es importante tener claros los pros y los contras y saber qué resultados se ven afectados y cómo. Debido a las diferentes propiedades mecánicas de los materiales utilizados para los instrumentos de medición, entre el original (acero o vidrio) y la impresión 3D (plásticos), surge la cuestión de la influencia en el proceso de medición. Específicamente, esto se relacionará con la rugosidad y rigidez de la superficie. La rugosidad y rigidez de la superficie se pueden ajustar dentro de ciertos límites mediante el proceso de impresión 3D. Además, la tribocarga puede ser un parámetro crucial para algunos tipos de materiales, afectando a los resultados de medición, por ejemplo, para materiales muy ligeros y de grano pequeño. En el caso de nuestra investigación, no se asumió ningún efecto significativo de la carga tribo. La celda de corte y la tapa de Schulze32 eran al menos 2,5 veces más livianas que los instrumentos de medición originales cuando se usaban instrumentos impresos con PLA, y más de 3 veces más livianas que los originales cuando se usaban instrumentos impresos con ASA. La celda de corte y la tapa de Schulze impresas en 3D podrían ser aún más livianas, debido a la dependencia del porcentaje del relleno que podría bajar con menos tensión normal. Los recipientes del FT4 impreso en 3D eran más de 2,6 veces más livianos que los conjuntos de recipientes originales42. Los instrumentos de medición del FT4 impresos en 3D eran más de 4 veces más livianos que los instrumentos de medición originales, y la hoja y el cabezal de corte impresos con ASA eran incluso más de 10 veces más livianos.

En cuanto a la elección del método de impresión 3D, utilizamos el método FFF porque optamos por una opción económica y sencilla. El método FDM fue patentado por la empresa Stratatys. En comparación con FFF, la impresión FDM es más precisa, tiene mejor calidad superficial y las piezas tienen mejores propiedades mecánicas. La desventaja es el alto precio y la necesidad de utilizar siempre un material de soporte soluble. La mayoría de las ventajas se deben a la cámara de impresión cerrada que permite mantener la temperatura interna (por ejemplo: 90 °C para ABS). Este tipo de entorno de impresión se denomina caliente-caliente-caliente (cama calentada por aire con boquilla), a diferencia del entorno FFF caliente-frío-caliente. Conduce a mejores propiedades mecánicas, donde se fortalece la adhesión entre capas y se evita la deformación y curvatura de las piezas impresas16.

Los métodos estandarizados de medición de material particulado son muy difíciles de replicar con precisión en lugares de difícil acceso, como entornos de campo que no son de laboratorio, o en cuerpos extraterrestres. Este tipo de mediciones siempre se verán afectadas y desviadas de las mediciones de laboratorio. Sin embargo, la metodología tiene fundamentos fundamentales que deben preservarse. Estos fundamentos se basan en el software y el hardware de la máquina, como las pautas de movimiento del acero, galgas extensométricas, pesaje de materiales y evaluación de programas, y no deben cambiarse ni modificarse para mantener la capacidad de comparar los resultados con estas mediciones de laboratorio.

Como se mencionó anteriormente, los polvos simulantes lunares tienen una base terrestre y simulan la mineralogía, la composición química y la distribución del tamaño de las partículas. Sin embargo, debido a una mala simulación de la forma de las partículas y la erosión, los resultados no se pueden utilizar como información para diseñar equipos de almacenamiento, manipulación y procesamiento en otros lugares del planeta Tierra.

Las primeras mediciones in situ fuera de laboratorio y extraterrestres serían indicativas. Sin embargo, mediciones adicionales brindarán la oportunidad de comparar los resultados medidos, lo que permitirá el diseño y la optimización de procesos y equipos de manipulación en cuerpos extraterrestres. La investigación conduce a las siguientes conclusiones principales:

La hoja que se imprimió en 3D con tecnología FFF no es una copia perfecta. La tecnología de fabricación no tenía la precisión suficiente para producir una curvatura de hoja geométricamente idéntica. La suavidad de la superficie no era buena y las capas superficiales de la parte curva podían verse a simple vista. Como se mencionó anteriormente, el ángulo de la hoja se modificó con respecto al original. Se realizaron modificaciones para mantener la carga mecánica durante la medición y medir una resistencia a la torsión similar. El alisado de la superficie de la pala cambió ligeramente los valores medidos del índice de estabilidad (SI) y el índice de caudal (FRI). Sin embargo, después de dos mediciones iniciales los valores medidos se estabilizaron y los valores de las pruebas iniciales no se incluyeron en los resultados.

El filamento PLA fue elegido por ser un filamento económico y fácil de imprimir para la evaluación de instrumentos de medición impresos en 3D, como su diseño, funcionalidad y capacidad de impresión. Aunque el filamento ASA es más difícil de imprimir y más caro que el PLA, sus propiedades mecánicas, resistencia a los rayos UV y al color, resistencia a la temperatura y menor densidad que el PLA lo convirtieron en una excelente opción para la configuración de laboratorio en un entorno más hostil. Sin embargo, en ambientes extremos, el equipo de proceso debe diseñarse para las propiedades físicas-mecánicas reales del material a granel. Por lo tanto, es posible que se necesite un mejor material de filamento. Actualmente, se utilizan filamentos fabricados de PolyEtherEtherKeton (PEEK), que tiene una relación resistencia-peso comparable a la del acero inoxidable y propiedades térmicas excepcionales. El material puede resistir ciclos térmicos en cámaras de vacío utilizadas para pruebas de calificación espacial, radiación o desgaste. El material requiere tecnología de impresión de modelado por deposición fundida (FDM) con temperaturas de boquilla de alrededor de 400 °C, y se utiliza en la industria espacial, la aviación, la industria petrolera y aplicaciones de ingeniería mecánica avanzada.

Como se mencionó anteriormente, la prueba de compresibilidad estándar depende en gran medida del corte adecuado del material particulado en el recipiente después del acondicionamiento inicial. La planitud de la superficie depende del método de impresión y puede dar lugar a diferentes valores de compresibilidad si el corte no se realiza correctamente en el plano. Además, el diámetro del pistón impreso en 3D se modificó en el modelo CAD debido a la contracción para que coincida con el diámetro original después de la impresión 3D.

Las mediciones del índice de caudal (FRI) y del índice de estabilidad (SI) muestran dependencia del material del recipiente y del método de fabricación del recipiente. Sin embargo, sólo la Energía de Flujo Básico (BFE) se vio afectada negativamente por el aumento de la energía consumida durante las pruebas. Los resultados de FRI y SI se mantuvieron estables y repetibles cuando se utilizaron recipientes impresos en 3D y el consumo de energía aumentó durante las pruebas.

Para el instrumento de medición impreso en 3D, se debe utilizar un material de filamento adecuado que tenga suficiente resistencia química para el material a granel que se mide. Además, se debe utilizar un material de filamento adecuado para soportar la carga mecánica durante la medición. Finalmente, el material del filamento debe tener estabilidad a la radiación y a los rayos UV para el entorno en el que se mide el material particulado.

En resumen, las mayores desventajas de los instrumentos de medición impresos en 3D fueron una mayor tasa de error de medición debido a errores mecánicos (la cuchilla del FT4, el cabezal de corte y la interferencia del pistón ventilado), desviaciones de medición ligeramente mayores e imperfecciones de fabricación que pueden reducirse mediante post-medición adicional. procesamiento después de la impresión.

Las mayores ventajas de los instrumentos de medición impresos en 3D fueron el menor peso, la capacidad de preimprimir un juego o imprimir en el acto, reemplazar una pieza dañada con una nueva pieza impresa en 3D bajo demanda si se necesitan resultados extremadamente rápidos o debido a la indisponibilidad logística, la personalización de las pruebas estandarizadas para comprender mejor el comportamiento de los materiales particulados y el costo de fabricación más económico (al menos 30 veces menor en el caso del método de impresión FFF).

En general, este estudio reforzó la idea de que la medición de propiedades físico-mecánicas en lugares donde el peso ligero es esencial, donde se necesitan instrumentos intercambiables para medir valores aproximados y donde un resultado rápido es más importante que un resultado extremadamente preciso. El método de impresión 3D es significativamente más versátil para la construcción de herramientas in situ que los métodos convencionales de mecanizado de acero, etc. Esto nos permite reaccionar rápidamente ante condiciones extremas específicas, que no siempre se pueden predecir con precisión.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Este trabajo fue apoyado por el concurso de becas de doctorado VSB—Universidad Técnica de Ostrava, dentro del Programa Operativo de Investigación, Desarrollo y Educación, en el marco del proyecto “Investigación y desarrollo de equipos innovadores para simulaciones DEM, calibración y validación de partículas en el campo de la conminución mecánica”. procesos y abrasión” [subvención no. CZ.02.2.69/0.0/0.0/19_073/0016945-DGS/TEAM/2020-003, 2021], y en relación con el proyecto Tecnología de fabricación innovadora y aditiva: nuevas soluciones tecnológicas para la impresión 3D de metales y materiales compuestos, [subvención No. CZ.02.1.01/0.0/0.0/17_049/0008407] financiado por Fondos Estructurales de la Unión Europea y proyecto SP2019/101 -Investigación, Ciencia y Desarrollo en un Transporte -Simulaciones de Tráfico, Modelos de Adhesión, Procesos de Almacenamiento.

Centro ENET, Centro de sólidos a granel, VSB-TU Ostrava, 17 de noviembre 15/2172, 708 33, Ostrava-Poruba, República Checa

Jan Divis, Jakub Hlosta, Jan Necas y Jiri Zegzulka

Departamento de Ingeniería Minera y Seguridad, Facultad de Minería y Geología, VSB-TU Ostrava, 17. listopadu 15/2172, 708 33, Ostrava-Poruba, República Checa

Jan Divis, Jakub Hlosta, David Zurovec, Jiri Rozbroj, Jan Necas y Jiri Zegzulka

Departamento de Máquinas y Sistemas Técnicos, Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad de Ciencia y Tecnología de Bydgoszcz, Al. Prof. S. Kaliskiego 7, 85-796, Bydgoszcz, Polonia

Weronika Kruszelnicka

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Conceptualización, DJ y RJ, NJ, ZJ; metodología, DJ, HJ y RJ; análisis formal, HJ, RJ y Ž.D.; investigación, DJ, HJ, RJ, Ž.D., NJ, ZJ; curación de datos, DJ y RJ; redacción: preparación del borrador original, DJ, NJ, ZJ y KW; redacción: revisión y edición, DJ, HJ, RJ, NJ, ZJ, KW y Ž.D.; visualización, DJ y HJ; supervisión, Nueva Jersey, ZJ; administración de proyectos, DJ, Nueva Jersey, ZJ; adquisición de financiación, DJ, Nueva Jersey, ZJ

Correspondencia a Jan Divis.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Divis, J., Hlosta, J., Zurovec, D. et al. Equipos de laboratorio impresos en 3D para medir materiales a granel en condiciones extremas. Representante científico 12, 17331 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22114-2

Descargar cita

Recibido: 10 de mayo de 2022

Aceptado: 10 de octubre de 2022

Publicado: 15 de octubre de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-22114-2

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