Additive Manufacturing of Continuous Fibre-Reinforced UV-Curable Epoxy Composites via Peristaltic-Driven Direct Ink Writing

Resumen Técnico: Fabricación Aditiva de Compuestos de Epoxi Curables por UV Reforzados con Fibra Continua mediante Escritura de Tinta Directa Impulsada por Bomba Peristáltica

Planteamiento del Problema
Si bien el refuerzo con fibra continua mejora significativamente las propiedades mecánicas de los compuestos poliméricos, los métodos de fabricación tradicionales (p. ej., bobinado de filamentos, pultrusión, RTM) suelen estar limitados por el utillaje complejo, los largos tiempos de procesamiento y la versatilidad geométrica restringida. Aunque la Fabricación Aditiva (AM) ofrece una vía para fabricar formas complejas, las técnicas existentes enfrentan obstáculos específicos. La Fabricación de Filamento Fundido (FFF) a menudo sufre de fracciones de volumen de fibra subóptimas y una unión débil entre capas debido a limitaciones térmicas. Otros sistemas de Escritura de Tinta Directa (DIW) se ven frecuentemente limitados a un solo tipo de fibra (ya sea vidrio quebradizo o aramida flexible que requiere pretratamiento) y tienen dificultades con la extrusión continua de fibra-resina, logrando una impregnación constante, el mantenimiento de la alineación de la fibra y la consistencia dentro de la trayectoria depositada. Además, existen desafíos relacionados con el calentamiento uniforme en la impresión asistida por microondas y los altos costos/complejidad en la impresión asistida por robótica.

Metodología
Este estudio reporta el desarrollo de un novedoso sistema de DIW impulsado por una bomba peristáltica diseñado para la co-extrusión de fibras continuas y una resina epoxi termoestable de baja viscosidad y fotosensible con curado UV in-situ.

• Hardware: El sistema utiliza un cabezal extrusor diseñado a medida montado en un pórtico de 3 ejes (derivado de un Creality Ender 3 Pro). Una bomba peristáltica Kamoer regula el flujo de la resina, mientras que las fibras continuas (aramida y vidrio) son "auto-extruidas" (tiradas) a través de la boquilla. Se integró un módulo de curado UV personalizado (intensidad de pico de 0.405 W/m²) adyacente a la boquilla para iniciar la polimerización inmediata tras la deposición.
• Software: Se estableció un flujo de trabajo utilizando FreeCAD para el modelado CAD, CURA para el laminado (slicing) y un algoritmo de MATLAB personalizado para procesar el G-code. Este algoritmo adapta las trayectorias de la herramienta para parámetros específicos del hardware (velocidad de impresión, multiplicador de extrusión, distancia de separación) y soporta varios patrones de deposición (horizontal, vertical, de cruzamiento y circular).
• Materiales: Se probaron dos tipos de fibras continuas de forma individual: hilo de para-aramida 100% (diámetro de 0.2–0.3 mm) y fibra de vidrio (0.1–0.2 mm de diámetro). La matriz es una resina epoxi curable por UV (viscosidad ~530 cP, densidad 1.15 g/cm³).
• Fabricación: Se imprimieron muestras con diversas geometrías (zig-zag, circular, cruzado a ±45°) usando una boquilla de 1 mm, velocidad de impresión de 300 mm/min y una distancia de separación (SoD) de 0.5 mm. Las fracciones de volumen de fibra ($V_f$) se calcularon como ~14.06% para la aramida y ~6.25% para el vidrio.
• Caracterización: Los compuestos fabricados se sometieron a análisis reológico, Microscopía Electrónica de Barrido (SEM), Espectroscopía de Energía Dispersiva de Rayos X (EDX), pruebas de tracción (ASTM D638), medición de rugosidad superficial (con y sin recubrimiento por inmersión) y evaluación de propiedades dieléctricas en un rango de frecuencia de 100 Hz a 300 kHz.

Contribuciones Clave

1. Diseño de Sistema Novedoso: El desarrollo de un montaje de DIW impulsado por bomba peristáltica capaz de manejar dos tipos distintos de fibras (vidrio y aramida) individualmente en una sola plataforma, sin preimpregnación, utilizando la auto-extrusión para las fibras y la extrusión por bomba para la resina.
2. Optimización del Proceso: Demostración de la generación de trayectorias adaptativas y la optimización de la distancia de separación (SoD) para promover la colocación central de la fibra y una interacción controlada fibra-resina.
3. Análisis Comparativo: Una comparación exhaustiva de los compuestos de aramida y vidrio respecto a la fidelidad de impresión, el rendimiento mecánico y la morfología superficial, destacando las compensaciones entre la rigidez y la flexibilidad de la fibra en el contexto de los sistemas de resina curables por UV.

Resultos

• Calidad de Impresión y Geometría: Los compuestos de fibra de vidrio demostraron una calidad de impresión y conformidad superiores a trayectorias de herramientas complejas (circular y de cruzamiento) en comparación con la aramida. Las fibras de aramida exhibieron un "arrastre de fibra" significativo (retracción de hasta 12 mm) y pandeo en esquinas pronunciadas debido a su mayor rigidez y menor flexibilidad. Las fibras de vidrio mantuvieron una mejor alineación y una menor desviación de la trayectoria.
• Microestructura e Interfaz: El análisis SEM reveló que las fibras de vidrio se asentaron cerca de la capa media de la sección transversal debido al mojado de la resina, mientras que las fibras de aramida permanecieron más cerca de la superficie superior. Crucialmente, las fibras de aramida exhibieron un "efecto de blindaje", obstruyendo la penetración de la luz UV y provocando un curado incompleto de la resina subyacente y una unión pobre con el sustrato. Las fibras de vidrio, al ser más transparentes a la UV, permitieron un curado efectivo y una mejor adhesión.
• Propiedades Mecánicas: Las pruebas de tracción mostraron que los compuestos de fibra de vidrio alcanzaron una resistencia máxima a la tracción de aproximadamente 65 MPa (un aumento del 62.5% sobre la resina pura), mientras que los de aramida alcanzaron ~62 MPa (un aumento del 55%). A pesar de que la aramida posee una resistencia intrínseca mayor, el compuesto de fibra de vidrio la superó experimentalmente debido a una mejor adhesión fibra-matriz, un mejor mojado y menos defectos interfaciales.
• Rugosidad Superficial: Los compuestos de aramida sin recubrimiento exhibieron una alta rugosidad ($R_a$ = 7.968 µm) debido a la protrusión de la fibra y el retroceso (spring-back), mientras que los de vidrio fueron más lisos ($R_a$ = 0.498 µm). El recubrimiento por inmersión redujo significamente la rugosidad para ambos, bajando la $R_a$ de la aramida a 1.183 µm y la del vidrio a 0.209 µm.
• Propiedades Dieléctricas: La adición de fibras redujo la constante dieléctrica ($\varepsilon_r$) de la resina pura (inicialmente ~9). Los compuestos de fibra de vidrio mostraron valores entre 4.5 y 5.5, mientras que los de aramida mostraron los valores más bajos (4.0–5.0), atribuido a la baja polarizabilidad y alta cristalinidad de la aramida.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que este estudio hace avanzar el campo de los Compuestos de Polímero Reforzados con Fibra Continua (CFRPCs) al demostrar un enfoque de DIW automatizado y viable para termoestables curables por UV. El trabajo destaca que, si bien las fibras de aramida ofrecen ventajas teóricas de resistencia, sus limitaciones de procesamiento (rigidez, blindaje UV, bajo mojado) en esta configuración específica de DIH resultan en un rendimiento inferior comparado con las fibras de vidrio.

El estudio concluye que el sistema desarrollado es adecuado para la fabricación de componentes para aplicaciones aeroespaciales, automotrices y electrónicas, particularmente donde se requiere robustez mecánica y aislamiento dieléctrico. El artículo reconoce modestamente los desafíos restantes, incluyendo el arrastre de fibra en esquinas agudas, la formación de porosidad, el curado UV incompleto en geometrías complejas y la falta de un mecanismo de corte de fibra automatizado, sugiriendo estos como áreas para futuras mejoras en la formulación de la resina y el diseño del hardware.