Los resultados obtenidos en el proyecto Plabitex se centran en la obtención de monofilamentos aptos para su uso en impresoras 3D convencionales

Sustitución de los polímeros obtenidos a partir de fuentes no renovables por materiales más sostenibles basados en los biopolímeros

Redacción Interempresas07/06/2022

Actualmente, el uso de polímeros de origen bio está creciendo en muchos sectores industriales. Esta gran demanda obliga a estos materiales a igualarse en prestaciones ante los polímeros termoplásticos más utilizados. La gran versatilidad de uso convierte a los biopolímeros en una gran apuesta para ser introducidos en los procesos de manufactura de termoplásticos actuales y con el tiempo poder sustituir a los polímeros convencionales, obtenidos a partir de recursos no renovables, lo que provocará la reducción de la huella ambiental producida por la fabricación de productos plásticos.

Ilustración 1. Tendencia en la evolución del uso y producción de polímeros (fuente: Prime Biopolymers).

El hecho de introducir los biomateriales en procesos de manufactura a escala industrial conlleva el tener que adaptar su estructura a las exigencias y requisitos de las empresas, por lo que la incorporación de aditivos a la estructura de los biopolímeros es necesaria para llegar a proporcionar unas propiedades mejoradas que garanticen el correcto desempeño de este tipo de materiales en la producción de piezas poliméricas.

Desde un inicio es complicado el introducir un nuevo producto o material a procesos de carácter industrial, por lo que es necesaria una caracterización previa en la que el prototipado por impresión 3D es clave a la hora de comprobar su comportamiento y rendimiento. Por este motivo y además por el hecho de que la impresión 3D se ha convertido en un referente en el uso de biomateriales como el PLA y actualmente es uno de los procesos más empleados en el desarrollo de productos, se hace imprescindible utilizar este método.

La sustitución de los polímeros actuales por termoplásticos obtenidos a partir de recursos renovables y su rápida introducción en la industria es clave en la lucha contra el cambio climático. El uso extendido de los productos plásticos y el gran impacto que estos presentan para el medio requiere de una actuación inmediata, es por esto por lo que el uso de los biomateriales adquiere gran importancia, con el fin de iniciar un cambio necesario para el planeta y para las personas.

Objetivos del proyecto

El objetivo general del proyecto Plabitex, desarrollado por el Centro de Investigación e Innovación – Aitex, es el de mejorar las propiedades térmicas y mecánicas de los biopolímeros mediante la incorporación de aditivos u otros polímeros a su estructura, con el fin de aumentar su involucración en la industria. El estudio se centra en la sustitución de los polímeros obtenidos de fuentes no renovables por los biopolímeros. En este caso se pretenden obtener prototipos funcionales impresos en 3D de piezas utilizadas en interiores de vehículos fabricadas a partir de PLA (Ácido Poliláctico) funcionalizado con aditivos provenientes de fuentes naturales o que presenten propiedades propias de los biomateriales como la biodegradabilidad o computabilidad. Esta funcionalización permitirá crear biomateriales basados en el PLA con propiedades mejoradas.

Resultados técnicos

Los resultados obtenidos en el proyecto Plabitex se centran en la obtención de monofilamentos aptos para su uso en impresoras 3D convencionales. De este modo, se dirige este estudio al uso de la tecnología FDM (fused deposition modeling), que se caracteriza por ser la más versátil y sencilla, además de ser la más utilizada, dentro del mundo de la impresión 3D, tanto a nivel usuario como a nivel industrial y con los que poder obtener las diferentes probetas para la caracterización mecánica de cada uno de los materiales desarrollados, además de fabricar diferentes prototipos de productos actuales que, en este caso tienen como objetivo ser introducidos en el sector de la automoción.

Ilustración 2. Tecnología de impresión 3D FDM.

Los diferentes materiales producidos se han obtenido mediante la mezcla física por extrusión de diferentes aditivos utilizando como polímero base el PLA (Ácido Poliláctico). Estos aditivos son los encargados de proporcionar propiedades mejoradas al PLA y se han elegido en vista de mejorar las principales lacras de este biomaterial como es la fragilidad y la resistencia a condiciones ambientales como la exposición a radiación UV. Por estos motivos, el lisado de aditivos cuenta con antioxidantes y termoplásticos capaces de proporcionar las mencionadas propiedades al PLA, todo ello centrándose en el carácter sostenible ya que en su totalidad provienen de fuentes naturales.

En total se han desarrollado las siguientes mezclas, que se recogen en la Tabla 1.

Tabla 1. Muestras obtenidas tras el proceso de funcionalización del PLA.
Funcionalización mediante aditivos en polvo	Funcionalización mediante aditivos en granza
PLA + Quercetina	PLA + BioTPE
PLA + Ácido Ferúlico	PLA + AdBio+
PLA + TiO2	PLA + AdBio 1
	PLA + AdBio 2

A partir de la granza de las diferentes muestras extruidas, se han desarrollado los monofilamentos para impresión 3D asegurando un diámetro regular a lo largo de toda la longitud del monofilamento, para ello se han realizado mediciones de la sección durante la producción de las muestras. Se puede garantizar que los parámetros de proceso elegidos permiten la obtención de un hilo de 1,75 mm de diámetro con una variación de la sección de ± 0.04 mm que se considera aceptable si la comparamos con las variaciones que se obtienen en una bobina de PLA comercial.

Ilustración 3. Muestras de los monofilamentos desarrollados a partir del PLA funcionalizado.

Los filamentos obtenidos se han hecho servir, como se ha comentado anteriormente, para la fabricación de las diferentes probetas destinadas a ser utilizadas en los ensayos mecánicos de tracción e impacto para polímeros siguiendo la norma UNE-EN ISO 527-1:2012 y UNE-EN ISO 8256:2005 respectivamente.

Ilustración 4. Muestras de las probetas fabricadas mediante impresión 3D para los ensayos mecánicos.

Estos monofilamentos también se han utilizado para la fabricación de varios prototipos destinados al sector de la automoción. Gracias a la mejora de la resistencia a la radiación UV y al aumento de la flexibilidad del material, si se compara con el PLA convencional, se han desarrollado prototipos adecuados para ser utilizados en piezas de los interiores como tapas y rejillas pudiendo llegar a sustituir a las actuales fabricadas con polímeros convencionales obtenidos a partir de fuentes no renovables, como son el Polipropileno (PP) o la Poliamida (PA).

Ilustración 5. Muestras de los prototipos fabricados mediante impresión 3D.

Conclusiones

El hecho de mejorar las propiedades de un biomaterial tan utilizado y extendido como el PLA no es tarea fácil. Además, el querer introducirlo en procesos industriales hace que se deban tener muy presentes los estándares en cuanto a características y propiedades de producto que exigen los diferentes sectores.

Proceso de obtención de productos como a impresión 3D son claves a la hora de introducir nuevos materiales en líneas de desarrollo, gracias a su versatilidad y a la rapidez de fabricación.

Mediante este desarrollo se ha logrado obtener nuevos materiales a partir de la aditivación de un producto muy utilizado como es el PLA, además se han conseguido obtener, no solo unas propiedades mejoradas del mismo, sino un comportamiento prácticamente idéntico al del polímero comercial en cuanto al uso en los equipos de impresión se refiere. Asegurando un buen comportamiento a la hora de fabricar cualquier pieza o prototipo aportando una mejora significativa si se comprar con los productos actuales que podemos encontrar en el mercado.

Este pequeño paso es el inicio para poder llevar estos nuevos biomateriales a nuevos sectores que quieran empezar a introducirse en este movimiento sostenible que tanto necesita la sociedad actual.

Proyecto que cuenta con el apoyo de la Conselleria d’Economia Sostenible, Sectors Productius, Comerç i Treball de la Generalitat Valenciana, a través del IVACE. (IMAMCI/2021/1)