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DESARROLLO DE UNA MÁQUINA DE ENSAYO CHARPY PARA PLÁSTICOS: EVALUACIÓN DE PROPIEDADES DE IMPACTO DE PROBETAS

CONSTRUIDAS POR IMPRESIÓN 3D.

Fernando Villareal1, Marcelo T. Piovan

1,2, Franco Diaco

1 y Carlos Nacud

1

1 Departamento de Ingeniería Mecánica, Centro de Investigaciones en Mecánica Teórica y Aplicada

Universidad Tecnológica Nacional FRBB, 11 de abril 461, Bahía Blanca, Argentina correo-e: [email protected]

2 CONICET: Centro de Investigaciones en Mecánica Teórica y Aplicada, UTN FRBB

RESUMEN

Actualmente las tecnologías de construcción aditivas están cubriendo, paulatinamente y a un ritmo vertiginoso, muchas áreas de la producción de bienes y servicios. Debido a la importancia de contar con productos que tengan homologación y/o validación de su respuesta mecánica (duración, resistencia, rigidez, etc.), se hace necesario determinar tal respuesta en los productos y/o piezas construidos con impresoras 3D. Dentro del universo de construcción aditiva, el procedimiento conocido como Modelado por Deposición de Filamento (MDF) polimérico es uno de los más difundidos en la industria, academia e incluso en el hobby.

Existen diversos estudios de caracterización de propiedades mecánicas y elásticas de componentes construidos aditivamente por MDF de plásticos poliméricos de diversa índole, sin embargo la gran mayoría están relacionados a ensayos de tracción y flexión.

En este trabajo se presenta el diseño, construcción y uso de una máquina para ensayos de impacto Charpy para componentes plásticos construidos por impresión 3D. Con tal máquina, luego del calibrado y contrastación, se evalúa la resistencia a impacto de piezas construidas con polímeros tales como Poliestireno de alto impacto, acrilo-nitrilo butadieno estireno y/o poli ácido lácticos entre otros. Se estudia la influencia de diversos parámetros de impresión 3D, como por ejemplo: velocidad de impresión, dirección de impresión, espesor de capa, temperaturas de impresión y densidad de llenado, entre otros. Se evalúa la influencia de los parámetros de impresión más importantes y se efectúa una comparación con los pocos estudios disponibles en la literatura internacional.

Palabras Claves: Impresión 3D, impacto, propiedades mecánicas.

Marce
Sello
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1. INTRODUCCIÓN

La impresión 3D es un proceso de fabricación basado en la adición capa por capa. El mismo tiene

varios beneficios con respecto a otros procesos de manufactura similares como también los

procesos de extracción de material CNC. La tecnología de impresión 3D ha sido exitosa en virtud

de facilitar la construcción de piezas complejas permitiendo una importante reducción de costos

operativos [1,2]. Si bien la tecnología de impresión 3D ya se conoce desde los años 1970, su

potencial se ha desencadenado en los últimos 10 años [2]. Esta explosión en la presencia de la

impresión 3D desde las aplicaciones de hobby hasta sus usos industriales se debe en gran parte a

los extraordinarios avances en hardware, programación y calidad de insumos, lo que tumbó los

precios de impresoras de calidad profesional a partir de los USD 500 [3].

El procedimiento denominado Modelado por Deposición Fundida (FDM en inglés) es uno de los

más difundidos en el contexto de impresión 3D. Esta técnica de construcción consiste en adicionar

material plástico fundido, capa a capa para formar una estructura volumétrica en el espacio. Una

vez que la pieza es terminada, la misma consta de una estructura laminar con visos de anisotropía

[4] y las propiedades de la misma varían con respecto a la dirección. Existen muchos parámetros

constructivos que influyen en las propiedades mecánicas de la pieza impresa. Varios autores,

desde hace por lo menos 15 años [5-7], han efectuado estudios para caracterizar las propiedades

mecánicas de piezas impresas. La mayoría de estudios radicó en la determinación del módulo de

elasticidad a tracción o flexión y a resistencia a los mismos esfuerzos [7,8]. Mientras que estudios

sobre la respuesta de piezas a solicitaciones dinámica, impacto y efectos de entalla son de

disponibilidad limitada y muy escasos [9,10].

El objetivo de este artículo es analizar la influencia sobre el comportamiento de impacto, de

diversos parámetros operativos empleados en la construcción aditiva por FDM. Debido a que las

características de resistencia de los plásticos impresos son pequeñas se ha debido construir y

calibrar una máquina para ensayos Charpy, de baja energía (<3 Nm), dotándola de trazabilidad

para asegurar la validez de los ensayos efectuados para probetas construidas según diversas

normas, como ser ASTM D6110 [11] e ISO179-1 [12]. A su vez el estudio, siendo de connotaciones

preliminares, se concentra en evaluar el efecto de los parámetros de impresión más importantes en

la decisión de construcción de una pieza, a saber cantidad de capas de perímetro lateral (Shell) y

tamaño de las mismas, como también sentido de impresión y orientación angular de deposición.

El contenido del artículo se dispone como sigue: luego de la introducción se expone el diseño,

construcción y calibración de la máquina de ensayo Charpy y se describe el método de ensayo,

posteriormente se presenta un estudio experimental sobre la respuesta del ensayo Charpy en

Marce
Sello
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probetas impresas bajo diversos parámetros constructivos, evaluando la influencia de los mismos.

Finalmente se ofrecen las conclusiones correspondientes y futuras extensiones al presente trabajo.

2. DESARROLLO DE MAQUINA PARA ENSAYO CHARPY EN PLASTICOS

2.1. Concepción y diseño de la máquina

En la fase preparatoria del diseño de la máquina de Charpy de baja energía, se optó por la norma

ASTM D6110 para ensayos de material compuesto plástico. En los primeros capítulos de esta

norma se especifican las características más importantes que deben poseer las máquinas de

ensayo y con ello las fórmulas de cálculo necesarias para especificar la geometría elemental. Las

restricciones que se fijan en el diseño de la máquina son las siguientes:

a) Capacidad máxima de energía de impacto: 3 Joules

b) Dimensiones máximas de la máquina: no superar una superficie de apoyo de 50x70 cm2 ni

una altura total de 100 cm

c) Tener la posibilidad de ensayar probetas construidas de acuerdo con las normas ASTM

D6110 e ISO 179-1.

Si bien las normas ASTM D6110 e ISO 179 fueron pensadas para materiales plásticos inyectados

y/o reforzados por fibras, es práctica de los últimos años [4,8,9,10] emplear las normas y probetas

para materiales plásticos inyectados o reforzados por fibras para la caracterización de piezas

construidas aditivamente. Esto se debe a que aún no hay consenso sobre normas específicas para

impresión 3D. Sin embargo las susodichas normas se deben usan con los debidos reparos [13].

Dado que la energía máxima a entregar por la máquina debe ser de E = 3,00 J, según la norma

ASTM D6110 se estipula una altura mínima de descarga Ho = 610 mm (Ver ítem 6.1.3 de la

mencionada norma [11]), con lo cual la velocidad de impacto debe ser de 3,46 [m/s], según surge

de la siguiente expresión:

(1)

Siendo g la aceleración de la gravedad. La masa M y el radio RE del péndulo se calculan

empleando las siguientes expresiones:

(2)

(3)

Marce
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Siendo lib = 45°, el ángulo de descarga. Por último, la diferencia de mediciones se obtiene a partir

de la siguiente expresión:

(4)

Con esta última expresión, luego de un poco de álgebra se puede calcular el valor del error de

medición de la máquina. Así pues, luego de efectuar las estimaciones basadas en la norma, en la

siguiente Tabla 1 se indican algunos de los parámetros de diseño predefinidos para la construcción

de la máquina de Charpy.

Tabla 1. Parámetros de diseño de la Máquina de Ensayo Charpy de baja energía.

Parámetro Concepto Valores

E Rango de medición [Joule] 0,00 a 3,00

E Máximo Error absoluto estimado [Joule] 0,03

vi Velocidad de impacto [m/s] 3,46

M Masa del conjunto martillo/péndulo [Kg] 0,501

RE Radio de giro efectivo [mm] 357,40

Ho Altura de descarga [mm] 610,00

Lib Ángulo de descarga 45°

En la Figura 1 se muestra una vista de la máquina completa, con numeración de cada una de las

partes que se detallan a continuación. La forma final del péndulo (1) fue definida bajo dos

premisas: que la ubicación del centro de percusión coincida con la línea media de la pena de

impacto (o punto medio donde impacta la probeta a ±2,5 mm de tolerancia permitida por la norma)

y que la masa/contrapeso (2) tenga el mismo espesor en toda la sección. Esto se ha hecho para

evitar momentos espurios en el eje de rotación asociados al impacto. La premisa de tener el mismo

espesor, de 10mm, permitió facilitar el mecanizado pues corresponde a una medida comercial de

chapas de acero, a su vez eventualmente permitiría intercambiar masa/martillos con diversas

formas en la pena. La unión entre el brazo y la masa se conformó por tres bulones (3) dispuestos

en forma de triángulo, como se observa en la figura. Para facilitar la rotación del péndulo la norma

ASTM D 6110 exige que el mismo sea montado sobre cojinetes de la más baja fricción posible (4).

Luego de ensayos valorativos preliminares sobre características de fricción en diversos pares de

rodamientos disponibles, se optó por utilizar dos rodamientos de bolillas no blindados, ya que su

resistencia a la rotación fue considerablemente menor a la correspondiente de los rodamientos

Marce
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blindados. A su vez al tener expuestas pistas y bolillas facilitaría eventualmente tanto su inspección

como lubricación y limpieza.

El péndulo debe ser liberado desde una posición de 45°, para ello se ha dispuesto de un sistema

de liberación (5) articulado regulable tanto en altura como en aproximación (6).

Figura 1: Máquina de ensayos construida

La máquina posee una bancada para montar las probetas (7). El alojamiento para las probetas es

intercambiable para aceptar las probetas de las normas ASTM D 6110 e lSO 179. La forma de

medición es tradicional por constatación visual sobre un dial (8) con varias escalas, la aguja de

medición (9) y la varilla de arrastre (10). Las escalas sobre el dial son: una angular con divisiones

en escala sexagesimal y la otra de energía con divisiones quincuagesimales (es decir en 0,02 J).

2.2. Aspectos de calibración de la máquina

Como paso previo a la colocación del dial indicador de energía es fundamental efectuar los

protocolos de calibración. Para asegurar repetitividad y una buena calibración de la máquina se

debe realizar la calibración antes de comenzar a ensayar siguiendo el procedimiento que se

describe a continuación:

a) Nivelar la máquina: empleando un nivel de burbujas colocado sobre las marcas cuadradas

de la placa superior de las columnas y ajustar las patas de registro

b) Verificar el ángulo de descarga a 45°. Emplear los pasadores de regulación en caso de ser

necesario.

c) Montar los apoyos porta-probetas y verificar que estén alineados y nivelados.

d) Con el péndulo en equilibrio y reposo verificar que la pena de impacto esté correctamente

centrada con la probeta y alineada la entalla de la misma.

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e) Verificar el montaje del dial y la correcta alineación del cero con la posición de equilibrio del

péndulo.

Téngase presente que la calibración gruesa del dial se realiza girando el eje y la calibración fina

ajustando y/o girando la aguja de arrastre.

3. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

3.1. Materiales y preparación de especímenes

Para el ensayo se construyen grupos de probetas tipo ISO 179 con entalla prescrita (2,54 mm de

profundidad, 45° de abertura y radio de acuerdo de 0,25 mm) en tres tipos de materiales, a saber:

Poli-ácido láctico (PLA), Acrilo-nitrilo butadieno estireno (ABS) y Poli estireno de alto impacto

(HIPS). Para cada material y configuración, se construyeron entre 6 y 8 probetas (para contemplar

posibles fallos de medición), hechas en una impresora 3D de bajo costo y protocolo RepRap

(diámetro de filamento 1.75 mm y diámetro de pico 0.4 mm), según las dos disposiciones que se

muestran en la Figura 2 y bajo las especificaciones temperatura, velocidad de impresión, etc.,

dadas en la Tabla 2, donde TC es la temperatura de cama, TP es temperatura de pico, VI es

velocidad de impresión (30-40% menor para la primera capa), EC es el espesor de capa, NP es el

número de perímetros y PL es el porcentaje de llenado. Dos tipos de relleno se han empleado: uno

en disposición a ±45° y el otro con todos los filamentos orientados paralelos a la dirección

longitudinal de la probeta. Por último, se construyen probetas tipo ISO 178 (es decir mismo

paralelepípedo de la ISO 179, pero sin entalla) en las disposiciones de la Figura 2 con 100% de

llenado interno y filamentos orientados en la dirección longitudinal. Ello estriba en efectuar la

entalla por maquinado con fresa normalizada y observar su sensibilidad.

Figura 2: Disposición constructiva en la impresora

Se han construido y ensayado un total de 146 probetas. La caracterización de las propiedades

mecánicas de impacto se hace a partir de medir la “energía total” y con ella calcular la “energía

específica” (o energía total dividida por la sección resistente en la entalla).

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En la fabricación de las probetas se ha constatado una temperatura ambiente entre 19°C y 24°,

controlando que la humedad no supere 25%. Las probetas, previo a su ensayo, han sido

almacenadas en bolsas herméticas junto con sustancias desecantes (Silicagel).

Tabla 2. Datos de los parámetros de impresión.

Material Características impresión

PLA TP=200°,TC=60°C,VI=30-50mm/s, EC=0,20mm, NP[1,4], PL[25,100]%

HIPS TP=235°,TC=80°C,VI=30-50mm/s, EC=0,20mm, NP[1,4], PL[25,100]%

ABS TP=240°,TC=105°C,VI=20-40mm/s, EC=0,20mm, NP2, PL 100%

Se ha hecho una serie de 5 ensayos de lanzamiento de la masa en vacío (sin probetas) para

determinar las pérdidas por fricción de la máquina, como paso previo al procedimiento de ensayo

definitivo. El valor promedio de estos ensayos sin probeta arrojó un valor de 0,019 Joule con un

desvío estándar de 0,003 Joule.

4. ANALISIS DE RESULTADOS

4.1. Trazabilidad del ensayo/máquina

Una de las actividades necesarias es tener identificada la trazabilidad de las respuestas obtenidas

con la máquina desarrollada, para tener fiabilidad de resultados. Así pues, en la Tabla 3 se

muestra una comparación de los resultados de la energía específica de impacto de la presente

investigación con los resultados de Gorski et al. (Referencia [14], Tabla 3, caso Side-0). En

particular se ha tratado de un conjunto de ensayos efectuado sobre las probetas de ABS sin entalla

(específicamente la probeta ISO 178) y con la configuración de impresión de canto, pues son

especímenes utilizados en la mencionada referencia. Nótese la similitud de resultados entre los

valores medios.

Tabla 3. Energía de impacto específica (KJ/m2). Comparación de investigaciones.

Parámetro Presente estudio Gorski et al. [14]

Promedio 24,43 28,80

Mediana 25,43 28,73

Si bien las diferencias entre los casos comunes de la presente investigación y los de la referencia

[14] no parecen ser muy grandes (alrededor de 12%), se debe destacar que existen aspectos que

son difíciles de reproducir por no poder contar exactamente con el mismo ABS empleado (misma

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marca, proveedor, color, calidad, etc.). Aun así es una valoración que permite constatar el orden de

trazabilidad de la máquina construida y la consistencia de los resultados obtenidos.

4.2. Evaluación de la respuesta de impacto de los diversos materiales

En primera instancia, se presenta la resistencia mecánica a impacto Charpy de los diversos

materiales evaluados con las mismas características de impresión. En efecto en la Figura 3 se

muestra la variación de las propiedades para ABS, PLA y HIPS impresos con 100% de relleno en

las dos direcciones de impresión indicadas en la Figura 2, con todos los filamentos orientados en la

dirección longitudinal de la probeta.

(a) (b)

Figura 3: Resistencia al Impacto (KJ/m2). (a) Impresas de canto (b) impresas de plano

Nótese la notoria diferencia entre el ABS y los restantes dos polímeros. Un aspecto que resulta

llamativo es la baja resistencia que reviste el PLA cuando es impreso en el plano. Si bien ante la

inspección visual, este último caso no presenta anomalías graves, se debe profundizar para futuras

investigaciones.

4.3. Efecto de los parámetros de impresión

En la Figura 4 (a) se muestra el efecto del porcentaje de llenado interno en el HIPS de una

configuración de impresión de canto y con tramado de impresión a 45°/-45° con 1 capa de

perímetro externo o cáscara. Mientras que en la Figura 4 (b) se muestra el efecto de la cantidad de

capas externas (NP) con un tramado de impresión a 45°/-45° para las probetas impresas con un

relleno del 25%. Para el PLA se obtienen gráficas similares, no consignadas en el presente

documento por exigencias de espacio.

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(a) (b)

Figura 4: Resistencia al Impacto (KJ/m2). (a) Efecto del relleno (b) Efecto de las capas externas

De la Figura 4 (b) se puede notar un incremento de la resistencia más pronunciado en el caso de

las probetas construidas de canto que en las construidas de plano. Para entender las diferencias

que se suscitan por la orientación de impresión (de canto o plana), en la Figura 5 se muestra una

foto ampliada de la sección de fractura de una probeta de canto, Figura 5(a), y de canto, Figura

5(b). Nótese que la deposición de filamentos individuales en el caso de la Figura 5(a) concluye

generando mayor sección resistente por más que se trate de un solo perímetro, lo cual se

magnifica en caso de más perímetros involucrados.

Figura 5: Sección de rotura caso NP=1, 25% relleno HIPS. a) de canto b) plana

Si bien el aspecto geométrico de la construcción puede traer alguna controversia en virtud de la

sensibilidad que el fenómeno de rotura por impacto presenta con respecto a la forma de la entalla,

a continuación se evalúa tal efecto para probetas con entalla maquinada.

4.4. Evaluación de la maquinación de la entalla (Caso del HIPS)

En la Tabla 4 se muestra el valor medio de la energía de impacto de probetas de HIPS construidas

según la Figura 2, con dos clases de ángulo de orientación del filamento depuesto: el típico a 45° y

con orientación en la dirección longitudinal de la probeta o a 0°. Obsérvese que son similares a los

casos evaluados en la Figura 3, aunque con desvíos estándar más pequeños.

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Tabla 4. Energía de impacto específica (KJ/m2) para probetas HIPS con entalla maquinada

Forma de construcción Planas De Canto

Estadístico Media Desvío Media Desvío

100 % tramado 0/0 11,29 0,31 11,60 0,23

100% tramado 45/-45 9,66 0,38 10,29 0,45

Una observación llana sugiere que el efecto de la entalla maquinada sobre la forma de

construcción de probetas el 100% de relleno no marca una sensibilidad sustancial en los

especímenes de tramado 0/0, mientras que puede llegar al 7% de diferencia en los tramados 45/-

45. Siendo más resistentes los especímenes impresos de canto, según la Figura 2. Aunque en este

estudio los valores medios son consistentes con los de la Figura 3, los desvíos estándar, siendo

más pequeños ponen en evidencia la regularidad del maquinado efectuado. Sin embargo, cuando

se planifican piezas para ser construidas aditivamente, el aspecto de entallas y sensibilidad

asociada debe evaluarse sobre la realidad geométrica derivada de la impresión.

4.5. Algunas particularidades del ABS

Se sabe que los polímeros empleados en la construcción aditiva son sensibles a los efectos de

agentes químicos y físicos que pueden potenciar o degradar (las más de las veces) las

propiedades mecánicas de las piezas impresas. Conocido es el efecto del d-limonene en el HIPS o

la acetona en el ABS o el cloroformo en el PLA. En particular siempre se evita que piezas

construidas con un cierto polímero operen o entren en contacto con su agente degradante. A raíz

de un fortuito acontecimiento en el uso de una pieza (construida en ABS por FDM) de acople en un

motor de combustión interna, los autores han necesitado constatar la resistencia a impacto del

ABS sometida a contacto con combustible. Es así que, se ha efectuado un análisis de la

resistencia al impacto de probetas de ABS bajo contacto con combustible líquido (nafta súper). El

protocolo de ensayo implicó disponer un grupo de probetas, depositadas durante un cierto lapso de

tiempo (10 minutos) en un recipiente, embebidas totalmente en combustible. Luego del secado se

procedió a su ensayo de impacto. En la Tabla 4 se muestran los resultados obtenidos en los

ensayos en promedios y sus desvíos para cada una de las formas de impresión. Como se puede

observar de la Tabla 4, el efecto del contacto del ABS con la nafta, parece mejorar la resistencia al

impacto. Se trata de un caso particular que merece ser estudiado con mayor detenimiento. Aun así,

se puede observar la sensibilidad que ofrece el sentido de impresión, que oscila entre el 6% y el

17%, sin entalla y con entalla, respectivamente.

Tabla 4. Energía de impacto específica (KJ/m2). Efecto del contacto con Nafta en ABS

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Forma de construcción Probetas secas Probetas en nafta

Promedio Desvío Promedio Desvío

De Canto Con entalla 17,89 2,65 19,72 0,73

Sin entalla 25,43 2,81 27,12 4,94

Plana Con entalla 20,78 0,58 20,01 2,62

Sin entalla 24,43 4,82 25,58 2,36

5. CONCLUSIONES

En este trabajo se ha presentado el desarrollo de una máquina “in-home” para realizar ensayos de

impacto Charpy de baja energía en piezas construidas por impresión 3D del tipo FDM. Se han

efectuado estudios sobre tres materiales típicos empleados en los procesos de impresión 3D. En

base a los resultados analizados se pueden extractar las siguientes conclusiones:

a) La influencia del sentido de impresión es sensible tanto como en el efecto de los tramados

de deposición. En este sentido los tramados con orientación longitudinal son más

resistentes que sus homónimos a 45° (también llamados cross-ply) en un orden de entre

12% a 20%.

b) La influencia del número de capas de la cáscara externa es muy importante

c) La influencia del relleno es fundamental para cuerpos muy resistentes al impacto.

d) El efecto de la geometría de la entalla juega un papel importante vinculado a la dirección

de deposición y sentido de fabricación. Es un aspecto ineludible en la construcción aditiva

de piezas funcionales.

e) El efecto del contacto de la nafta con el ABS parece incrementar la resistencia al impacto

en las disposiciones constructivas ensayadas, entre el 5% y el 12%

En suma, este trabajo preliminar tuvo por objetivo mostrar los principales aspectos a tener en

cuenta en la resistencia por impacto de piezas impresas. Por razones de tamaño del artículo, la

influencia de las temperaturas de impresión para cada material, velocidad de impresión, espesor

de capa, entre otros efectos que han debido ser dejados de lado y serán motivo de trabajo

subsecuente.

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6. REFERENCIAS

[1] Caulfield B., McHugh P.E. y Lohfeld S. Dependence of mechanical properties of polyamide

components on build parameters in the SLS process. Journal of Materials Processing Technology,

Vol. 182, N. 1–3, pp. 477–488, 2007.

[2] Kasciunas France A. Make 3D printing. Maker Media, Inc., pp. 3-15, 2014.

[3] Canesa E., Fonda C., Genaro M. Low cost 3D-printing. Ed. International Center of Theoretical

Physics, pp. 19-60, 2013.

[4] Lee C.S., Kim S.G., Kim H.J. y Ahn S.H. Measurement of anisotropic compressive strength of

rapid prototyping parts. Journal of Materials Processing Technology, pp. 187– 188, 2007.

[5] Rodríguez J.F., Thomas J.P., y Renaud J.E. Mechanical behavior of acrylonitrile butadiene

styrene fused deposition materials modeling. Rapid Prototyping Journal, vol. 9, n.4, 219–230, 2003

[6] Ahn S.-H., Montero M., Odell D., Roundy S. y Wright P.K. Anisotropic material properties of

fused deposition modeling ABS. Rapid Prototyping Journal, Vol. 8, n.4, pp. 248–257, 2002.

[7] Es-Said O., Noorani R., Mendelson M., Foyos J., y Marloth R. Effect of Layer Orientation an

Mechanical Properties of Rapid Prototyped Samples, Materials and Manufacturing Processes, Vol.

15, n.1, pp.107-122, 2000.

[8] Tymrak B.M., Kreiger M. y Pearce, J.M. Mechanical properties of components fabricated with

open-source 3-D printers under realistic environmental conditions. Materials and Design, vol 58, pp.

242–246, 2014

[9] Alvarez C. K.L., Lagos C. R.F., Aizpun M. Investigating the influence of infill percentage on the

mechanical properties of fused deposition modelled ABS parts. Ingeniería e Investigación vol. 36

n.° 3, pp. 110-116, 2016.

[10] Caminero M.A., Chacón J.M., García-Moreno I., Rodríguez, G.P. Impact damage resistance of

3D printed continuous fibre reinforced thermoplastic composites using fused deposition modelling.

Composites Part B: Engineering vol. 148, pp. 93-103, 2018.

[11] ASTM D6110-10. Standard test Method for Determining the Charpy Impact Resistance of

Notched Specimens of Plastics. ASTM International, 2010.

[12] ISO 179-1. Plastics — Determination of Charpy impact properties Part 1: Non-instrumented

impact test. International Standard Organization. 2010.

Page 13: DESARROLLO DE UNA MÁQUINA DE ENSAYO CHARPY PARA … · DESARROLLO DE UNA MÁQUINA DE ENSAYO CHARPY PARA PLÁSTICOS: EVALUACIÓN DE PROPIEDADES DE IMPACTO DE PROBETAS CONSTRUIDAS

[13] Foster A.M. Materials Testing Standards for Additive Manufacturing of Polymer Materials: State

of the Art and Standards Applicability (NISTIR 8059). National Institute of Standards and

Technology, US Dept of Commerce. 2015. http://dx.doi.org/10.6028/NIST.IR.8059

[14] Gorski F., Kuczko W., Wichniarek R., Impact strength of ABS parts manufactured using fused

deposition modeling technology. Archived of mechanical technology and automation, vol. 34, 1,

pp.3-12, 2014.

Agradecimientos

Los autores de este trabajo desean agradecer a la Secretaría de Ciencia y Técnica de la

Universidad Tecnológica Nacional a través de los proyectos PID 4285 TUN, PID 2194TC, PID

4763TC y a CONICET por el apoyo a la presente investigación.


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