Experimental analysis and predictive modeling of the tensile and flexural strength of FDM-printed PLA for clinical devices

Imagina un mundo donde las herramientas que usan los médicos para sanar no se producen en masa en fábricas, sino que se elaboran una por una, adaptadas perfectamente a la forma única del cuerpo de un paciente. Esta es la promesa de la fabricación aditiva, a menudo llamada impresión 3D. A diferencia de los métodos tradicionales que tallan material de un bloque sólido, esta tecnología construye objetos capa por capa, como apilar finas rebanadas de masa hasta que toma forma un pan. Uno de los materiales más populares para este proceso es un plástico derivado del almidón de maíz o la caña de azúcar, conocido como ácido poliláctico, o PLA. Es favorecido porque es seguro para el cuerpo humano, se descompone naturalmente con el tiempo y es relativamente fácil de imprimir. Sin embargo, para que estos objetos impresos puedan utilizarse como dispositivos médicos, tales como guías quirúrgicas o implantes personalizados, deben ser lo suficientemente fuertes como para soportar las fuerzas del cuerpo humano sin romperse o doblarse. El desafío radica en el hecho de que la forma en que una impresora 3D deposita este plástico crea pequeñas debilidades dentro del material, haciendo que se comporte de manera diferente dependiendo de en qué dirección se tire o se empuje.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Tunis El Manar y la Universidad de Monastir se propuso resolver este enigma tratando el proceso de impresión 3D como una receta precisa. Querían comprender exactamente cómo tres ajustes específicos —qué tan gruesa es cada capa de plástico, qué tan rápido se mueve la impresora y cuánto plástico adicional se empuja a través de la boquilla— cambian la resistencia del objeto final. Aunque los científicos han sabido durante mucho tiempo que el grosor de la capa y la velocidad importan, la cantidad de plástico exprimido, conocida como la relación de extrusión, ha sido un misterio. Los investigadores sospechaban que empujar un poco más de plástico que el ajuste estándar de la impresora podría rellenar los pequeños huecos entre las capas, creando una pieza más densa y fuerte. Para probar esto, no dependieron de las conjeturas. En su lugar, imprimieron cientos de pequeñas piezas de prueba, cada una con una combinación diferente de estos tres ajustes, y luego las sometieron a rigurosas pruebas físicas. Tiraron de las piezas para medir su resistencia a la tracción, que es la fuerza necesaria para romperlas, y las doblaron para medir su resistencia a la flexión, que es qué tan bien resisten al romperse bajo presión.

Los resultados revelaron una verdad clara y sorprendente sobre cómo estas piezas impresas se mantienen unidas. Los investigadores descubrieron que la cantidad de plástico empujado a través de la boquilla era el factor más importante para determinar la resistencia. Cuando aumentaron la relación de extrusión al 110 por ciento, lo que significa que empujaron un diez por ciento más de material que el ajuste estándar, los huecos internos y los diminutos agujeros dentro del plástico casi desaparecieron por completo. Este simple ajuste transformó el material, haciéndolo significamente más resistente. Descubrieron que las piezas impresas eran naturalmente anisotrópicas, lo que significa que son más fuertes en algunas direcciones que en otras. Al ser probadas mediante flexión, las piezas pudieron soportar entre 34 y 51 megapascales de fuerza, pero cuando se tiró de ellas directamente hacia afuera, resistieron solo de 12 a 24 megapascales. Esta diferencia ocurre porque las capas están fusionadas entre sí en el exterior, pero pueden separarse más fácilmente cuando se tiran directamente de ellas.

Para encontrar el equilibrio perfecto para crear los dispositivos médicos más fuertes posibles, el equipo utilizó un enfoque matemático para analizar todos sus datos y predecir los ajustes ideales. Determinaron que la mejor combinación para maximizar tanto la resistencia como la rigidez era utilizar un grosor de capa de 0.20 milímetros, una velocidad de impresión de 40 milímetros por segundo y esa crucial relación de extrusión del 110 por ciento. Cuando probaron estos ajustes específicos en nuevas muestras, los resultados del mundo real coincidieron con sus predicciones con una precisión notable, con errores tan pequeños como el 1.89 por ciento y no más de un 6.32 por ciento. Este nivel de precisión confirma que, al controlar cuidadosamente cuánto material se deposita, los ingenieros pueden eliminar los puntos débiles que suelen afectar a las piezas impresas en 3D. El estudio concluye que este método optimizado proporciona un plano confiable para la creación de componentes de PLA de alto rendimiento, ofreciendo un camino a seguir para la fabricación de herramientas médicas personalizadas, implantes y otros dispositivos que deben ser tanto ligeros como increíblemente duraderos.