ES2915589B2 - Composite material for use in stereolithography and obtaining procedure - Google Patents

Composite material for use in stereolithography and obtaining procedure Download PDF

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    • B29C64/00Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10Processes of additive manufacturing
    • B29C64/165Processes of additive manufacturing using a combination of solid and fluid materials, e.g. a powder selectively bound by a liquid binder, catalyst, inhibitor or energy absorber

Description

DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

MATERIAL COMPUESTO PARA USO EN ESTEREOLITOGRAFÍA Y PROCEDIMIENTO DE OBTENCIÓNCOMPOSITE MATERIAL FOR USE IN STEREOLITHOGRAPHY AND OBTAINING PROCEDURE

SECTOR DE LA TÉCNICATECHNIQUE SECTOR

La invención pertenece al campo de la tecnología de fabricación aditiva (B33Y) y en concreto al sector de materiales especialmente diseñados para fabricación aditiva (B33Y 50/00). Se refiere al empleo de polvo de corcho de diferentes granulometrías y en diferentes porcentajes en peso respecto a una matriz polimérica con el objeto de aditivar una resina fotocurable y emplearla en las técnicas de impresión 3D por fotopolimerización en tanque o estereolitografía; en concreto por la técnica de estereolitografía o SLA.The invention belongs to the field of additive manufacturing technology (B33Y) and specifically to the sector of materials specially designed for additive manufacturing (B33Y 50/00). It refers to the use of cork powder of different granulometries and in different percentages by weight with respect to a polymer matrix in order to add a photocurable resin and use it in 3D printing techniques by tank photopolymerization or stereolithography; specifically by the technique of stereolithography or SLA.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓNBACKGROUND OF THE INVENTION

El corcho es un material de origen natural, producto de la formación de la corteza del alcornoque (Quercus Suber). Debido a la estructura única celular que posee, con células con un tamaño comprendido de entre 10 ^m y 70 ^m, llenas de un gas semejante al aire, posee unas características físico-químicas únicas: es un buen aislante térmico y acústico, impermeable, es un material ligero y de baja densidad, compresible, elástico y flexible. Su coeficiente de Poisson es de 0, esto significa que cuando el volumen del corcho es comprimido en una dirección no se produce deformación en la dirección perpendicular. Esta característica hace que el corcho sea un material que, al usarlo en condiciones extremas, resiste el estrés al que es sometido. Estas propiedades justifican que a día de hoy sea un material ampliamente utilizado para infinidad de aplicaciones tanto en menaje del hogar, material deportivo y construcción como en industrias tecnológicas tales como aeroespacial, naval o automotriz. En la última década, la búsqueda de materiales sostenibles y de origen natural se ha unido a la creciente necesidad de buscar nuevas técnicas para la modernización tecnológica de la industria. Es por ello que en este periodo surge la llamada cuarta revolución industrial o Industria 4.0, la cual engloba una serie de técnicas tales como la visión artificial, robótica, big data, o la fabricación aditiva (FA), conocida popularmente como impresión 3D(1). El corcho se ha erigido como un material idóneo para esa fusión entre sostenibilidad e innovación. Esto se justifica, por un lado, por la inmensa cantidad de polvo de corcho que genera la industria corchera, que se trata como residuo o se emplea como biomasa en generación de energía, y por otro, por las magníficas propiedades mencionadas del corcho como material. Esa intensa búsqueda en la innovación favorece la aparición de campos multidisciplinares dentro de la ciencia de los materiales, siendo la investigación en nuevos materiales para impresión 3D un campo con una intensa actividad investigadora en los años recientes(2).Cork is a material of natural origin, product of the formation of the bark of the cork oak ( Quercus Suber). Due to its unique cellular structure, with cells between 10 ^m and 70 ^m in size, filled with a gas similar to air, it has unique physicochemical characteristics: it is a good thermal and acoustic insulator, waterproof, It is a light, low-density, compressible, elastic and flexible material. Its Poisson's ratio is 0, this means that when the volume of the cork is compressed in one direction, no deformation occurs in the perpendicular direction. This characteristic makes cork a material that, when used in extreme conditions, resists the stress to which it is subjected. These properties justify that today it is a widely used material for countless applications both in household items, sports equipment and construction as well as in technological industries such as aerospace, naval or automotive. In the last decade, the search for sustainable materials of natural origin has joined the growing need to find new techniques for the technological modernization of the industry. That is why the so-called fourth industrial revolution or Industry 4.0 arose in this period, which encompasses a series of techniques such as artificial vision, robotics, big data, or additive manufacturing (AM), popularly known as 3D printing(1 ). Cork has emerged as an ideal material for this fusion between sustainability and innovation. This is justified, on the one hand, by the immense amount of cork dust generated by the cork industry, which is treated as waste or used as biomass in energy generation, and on the other, by the aforementioned magnificent properties of cork as a material . This intense search for innovation favors the emergence of multidisciplinary fields within materials science, with research into new materials for 3D printing being a field with intense research activity in recent years(2).

Dentro de las técnicas de la FA nos centramos en la estereolitografía o SLA. Esta técnica fue desarrollada en la década de 1980 por 3D Systems (Valencia, CA,USA)(3) y es una técnica de fotopolimerización en tanque, en el cual hay depositada una resina líquida fotocurable y donde se produce una reacción de polimerización al aplicar una radiación (láser ultravioleta, UV) con una determinada longitud de onda. Actualmente es una técnica que se emplea en diversos campos, como el naval (4), destacando especialmente en de la medicina, concretamente en la ingeniería de tejidos o bioimpresión(5) y en otros campos del diseño, como en la joyería personalizada o en realización de prototipos pre-comerciales.Within the FA techniques we focus on stereolithography or SLA. This technique was developed in the 1980s by 3D Systems (Valencia, CA, USA)(3) and is a tank photopolymerization technique, in which a photocurable liquid resin is deposited and where a polymerization reaction occurs when applying radiation (ultraviolet laser, UV) with a certain wavelength. It is currently a technique that is used in various fields, such as naval (4), standing out especially in medicine, specifically in tissue engineering or bioprinting (5) and in other fields of design, such as personalized jewelry or in realization of pre-commercial prototypes.

Uno de los principales inconvenientes de esta técnica son las bajas propiedades mecánicas de las resinas fotosensibles, siendo objeto de estudio la mejora de las propiedades de las resinas fotocurables. La composición típica de las resinas fotocurables por radiación UV está formada por oligómeros, monómeros que actúan como diluyentes e iniciadores de la fotopolimerización entre otros excipientes. En gran medida las resinas fotocurables comerciales y sintéticas están basadas en compuestos acrílicos que actúan como radicales libres (acrilatos)(6). Está bien documentado en la literatura científica que los aditivos pueden modificar las propiedades mecánicas de las resinas tales como el módulo de Young, resistencia a la flexión, tenacidad o dureza(7). Es por ello que la naturaleza del aditivo empleado para modificar la resina fotosensible juega un papel decisivo en la modificación de esas propiedades, así como la forma y el tamaño del aditivo empleado(8)(9).One of the main drawbacks of this technique is the low mechanical properties of photosensitive resins, the improvement of the properties of photocurable resins being studied. The typical composition of photocurable resins by UV radiation is made up of oligomers, monomers that act as diluents and photopolymerization initiators, among other excipients. To a large extent, commercial and synthetic photocurable resins are based on acrylic compounds that act as free radicals (acrylates)(6). It is well documented in the scientific literature that additives can modify the mechanical properties of resins such as Young's modulus, flexural strength, toughness or hardness(7). That is why the nature of the additive used to modify the photosensitive resin plays a decisive role in modifying these properties, as well as the shape and size of the additive used(8)(9).

En la actualidad existen diversos estudios que emplean el corcho en polvo como aditivo a una base termoplástica para fabricación aditiva, para la técnica de FA de modelado por deposición fundida o FDM (fused deposition modeling, en inglés), también conocida como FFF (fused filament fabrication). No obstante, no existen estudios ni ningún informe que reporte el uso de polvo de corcho aditivado en resinas fotosensibles para estereolitografía o SLA; esto probablemente se deba a que el carácter opaco del corcho ha hecho pensar que su adición a una resina fotosensible provocaría que ésta dejara de serlo e impediría su fotocuración al dificultar la absorción de la radiación UV aplicada durante el proceso. En esta invención se demuestra que sí es posible hacerlo.Currently there are several studies that use powdered cork as an additive to a thermoplastic base for additive manufacturing, for the FA technique of fused deposition modeling or FDM (fused deposition modeling), also known as FFF (fused filament). manufacturing). However, there are no studies or any reports that report the use of cork powder added to photosensitive resins for stereolithography or SLA; This is probably due to the fact that the opaque nature of the cork has led us to believe that its addition to a photosensitive resin would cause it to stop being photosensitive and would prevent its photocuring by hindering the absorption of the UV radiation applied during the process. In this invention it is shown that it is possible to do so.

Entre los estudios publicados en revistas indexadas especializadas sobre adición de corcho en termoplásticos para FFF, destacan el publicado recientemente por S.P. Magalhaes da Silva et. al. (2020)(10), donde usan el corcho para aditivar un termoplástico biodegradable como el ácido poliláctico (PLA) y fabricar un filamento susceptible de ser usado en impresión 3D. En este sentido destacamos los trabajos en la misma línea de Fugen Daver et. al (2018)(11\ donde los autores han desarrollado filamentos de PLA/corcho, el trabajo de N. Gama et al. (2019)(12), relativo a filamentos de PTU/corcho, y los trabajos de F. Brites et.al, donde estudia la optimización del uso de corcho para filamentos destinados a la impresión 3D (F. Brites et.al (2017)(13)) y composites de polietileno (PE) aditivado con corcho para impresión 3D de gran formato (F. Brites et.al (2019)(14)). Así mismo existen otros estudios relacionados con la elaboración de materiales compuestos y corcho, como los que se recogen en el artículo de Emanuel M. Fernández et. al.(2014)(15), en el que se estudian los parámetros de procesabilidad y propiedades de materiales compuestos de polipropileno con corcho preparados mediante la técnica de extrusión y destinados esta vez a inyección, no a técnicas de impresión 3D.Among the studies published in specialized indexed journals on the addition of cork in thermoplastics for FFF, the recently published by SP Magalhaes da Silva et. to the. ( 2020) ( 10), where they use cork to add to a biodegradable thermoplastic such as polylactic acid (PLA) and manufacture a filament that can be used in 3D printing. In this sense, we highlight the works in the same line of Fugen Daver et. al ( 2018) ( 11\ where the authors have developed PLA/cork filaments, the work of N. Gama et al. (2019)(12), related to PTU/cork filaments, and the work of F. Brites et al. .al, where he studies the optimization of the use of cork for filaments for 3D printing ( F. Brites et.al (2017)(13)) and polyethylene (PE) composites added with cork for large-format 3D printing (F Brites et.al (2019)(14)) There are also other studies related to the production of composite materials and cork, such as those included in the article by Emanuel M. Fernández et.al.(2014)(15 ), in which the processability parameters and properties of polypropylene composite materials with cork prepared by the extrusion technique and intended this time for injection, not 3D printing techniques, are studied.

La literatura de patentes muestra que no existen documentos relevantes relacionados con la presente invención. Se citan algunos documentos que muestran el estado actual de la técnica:The patent literature shows that there are no relevant documents related to the present invention. Some documents are cited that show the current state of the art:

- WO2020037279A1 describe la fabricación de un casco de protección a partir de estereolitografía a partir de una resina liquida fotocurable de naturaleza poliuretánica y donde el corcho es mencionado como un posible aditivo de atenuación energética.- WO2020037279A1 describes the manufacture of a protective helmet from stereolithography from a photocurable liquid polyurethane resin and where cork is mentioned as a possible energy attenuation additive.

- US2017234268A1 hace referencia a la fabricación de un motor de cohete híbrido a partir de estereolitografía y donde el grafito, el óxido de silicio, la fibra de vidrio o el corcho se utilizan como aditivos. - US2017234268A1 refers to the manufacture of a hybrid rocket motor from stereolithography and where graphite, silicon oxide, fiberglass or cork are used as additives.

- JP2016037571A divulga una composición de una resina poliolefínica con ácido poliláctico y polvo de corcho (como aditivo), pudiendo ser fabricado mediante una impresora 3D. Sin embargo, no se describe que pueda ser fabricada mediante estereolitografía.- JP2016037571A discloses a composition of a polyolefin resin with polylactic acid and cork powder (as an additive), which can be manufactured using a 3D printer. However, it is not disclosed that it can be manufactured by stereolithography.

Así, el estado de la técnica anteriormente descrito, tanto en base a la literatura científica citada, como a las patentes, permite confirmar que no hay ninguna referencia en la que se use polvo de corcho en el caso de la estereolitografía y, por tanto, tampoco se especifica el tamaño de las partículas ni el porcentaje especifico en peso en las mezclas.Thus, the previously described state of the art, both based on the cited scientific literature and on the patents, makes it possible to confirm that there is no reference in which cork powder is used in the case of stereolithography and, therefore, neither is the size of the particles specified nor the specific percentage by weight in the mixtures.

Relación de documentos citados:List of cited documents:

Patentespatents

WO2020037279A1. Bologna, Vittorio; Gillogly, Murphy; Ide, Thad M. System and method for designing and manufacturing a protective helmet. Publication date 2020­ 02-20. Riddell, INC.WO2020037279A1. Bologna, Vittorio; Gillogly, Murphy; Ide, Thad M. System and method for designing and manufacturing a protective helmet. Publication date 2020 02-20. Riddell, INC.

US2017234268A1.Danforth Jeremy C.; Summers Matt H. hybrid rocket motor with integral oxidizer tank. Publication date 2017-08-17. Raytheon Company JP2016037571A Kentaro Kanae, Minoru Maeda, Shohei Sasama. Resin composition for molding and filament for molding. Publication date 2016-03-22.US2017234268A1. Danforth Jeremy C.; Summers Matt H. hybrid rocket motor with integral oxidizer tank. Publication date 2017-08-17. Raytheon Company JP2016037571A Kentaro Kanae, Minoru Maeda, Shohei Sasama. Resin composition for molding and filament for molding. Publication date 2016-03-22.

ArtículosArticles

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2. Tofail SAM, Koumoulos EP, Bandyopadhyay A, Bose S, O’Donoghue L, Charitidis C. Additive manufacturing: scientific and technological challenges, market uptake and opportunities. Mater Today. 2018;21(1):22-37.2. Tofail SAM, Koumoulos EP, Bandyopadhyay A, Bose S, O'Donoghue L, Charitidis C. Additive manufacturing: scientific and technological challenges, market uptake and opportunities. Mater Today. 2018;21(1):22-37.

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4. Phillips BT, Allder J, Bolan G, Nagle RS, Redington A, Hellebrekers T, et al.4. Phillips BT, Allder J, Bolan G, Nagle RS, Redington A, Hellebrekers T, et al.

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EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓNEXPLANATION OF THE INVENTION

La presente invención se basa en la aditivación de corcho en polvo finamente dividido a una resina fotocurable, formando un material compuesto que puede usarse como material de partida para realizar FA mediante la técnica de estereolitografía.The present invention is based on the additivation of finely divided powdered cork to a photocurable resin, forming a composite material that can be used as a starting material to produce AM using the stereolithography technique.

Como se explicará más adelante, en la formulación del producto objeto de la invención, el tamaño de polvo de corcho debe estar por debajo de las 150 pm y el porcentaje polvo de corcho empleado en el producto objeto de la presente invención respecto de la matriz de resina fotocurable debe ser menor o igual a 30%(p/p), ya que se ha observado que porcentajes superiores a los mencionados, tienen un efecto negativo en la procesabilidad del material compuesto.As will be explained later, in the formulation of the product object of the invention, the size of the cork powder must be below 150 pm and the percentage of cork powder used in the product object of the present invention with respect to the matrix of photocurable resin must be less than or equal to 30% (p/p), since it has been observed that percentages higher than those mentioned have a negative effect on the processability of the composite material.

El procedimiento de obtención del producto objeto de la invención comienza con la molienda de corcho virgen previamente cocido hasta obtener un polvo fino de corcho; el corcho de partida también puede proceder de residuos de empresas que se dedican a la transformación del corcho. A continuación, se procede al cribado del polvo de corcho, separándolo por tamaños en micras. Este cribado se puede realizar con un procedimiento manual, utilizando un tamiz manual con una luz de malla conveniente para el tamaño deseado o con ayuda de una tamizadora mecánica con varios tamices dispuestos en posición vertical, con agitación tridimensional, cuyo tamaño en micras de la luz de malla se dispone de mayor a menor tamaño a conveniencia. Este proceso de tamizado también se puede llevar a cabo con otros tipos de tamizadoras. A continuación, mediante mezcla manual o mecánica (agitador helicoidal), con una resina fotocurable, se obtiene un material compuesto donde el porcentaje en peso y tamaño del polvo de corcho es variable según interese. Para el producto objeto de la invención, el tamaño de polvo de corcho debe estar por debajo de las 150 pm. Para tamaños mayores se observa un deterioro considerable en la procesabilidad del material. Para ello se realiza un estudio estadístico detallado a partir de las imágenes obtenidas por microscopía electrónica de barrido (SEM) (figura 1 y figuras 2A y 2B). El material compuesto obtenido es introducido en un baño de ultrasonidos para extraer el aire introducido durante la agitación del mismo y darle estabilidad al compuesto. El tiempo mínimo de tratamiento será de 10 minutos, seguido de la extracción del aire en un desecador de filtración al vacío. El material compuesto obtenido es convenientemente depositado en un tanque de fotopolimerización para estereolitografía. Tras el proceso de impresión 3D se obtienen piezas donde la integración del corcho con la matriz polimérica es manifiesta (figura 3).The procedure for obtaining the product object of the invention begins with the grinding of previously cooked virgin cork until obtaining a fine cork powder; The starting cork can also come from waste from companies that are dedicated to the transformation of cork. Next, the cork dust is screened, separating it by size in microns. This screening can be carried out with a manual procedure, using a manual sieve with a suitable mesh size for the desired size or with the help of a mechanical sieve with several sieves arranged in a vertical position, with three-dimensional shaking, whose size in microns of the light mesh is available from largest to smallest size for convenience. This sieving process can also be carried out with other types of sieving machines. Next, by manual or mechanical mixing (helical agitator), with a photocurable resin, a composite material is obtained where the percentage by weight and size of the cork powder is variable according to interest. For the product object of the invention, the size of the cork powder must be below 150 pm. For larger sizes, a considerable deterioration in the processability of the material is observed. For this, a detailed statistical study is carried out from the images obtained by scanning electron microscopy (SEM) (figure 1 and figures 2A and 2B). The composite material obtained is introduced into an ultrasonic bath to extract the air introduced during its agitation and give the compound stability. The minimum treatment time will be 10 minutes, followed by the extraction of air in a vacuum filtration desiccator. The obtained composite material is conveniently deposited in a photopolymerization tank for stereolithography. After the 3D printing process, parts are obtained where the integration of the cork with the polymeric matrix is evident (figure 3).

Posteriormente esas piezas pueden someterse opcionalmente a un proceso de curación con UV con objeto de modificar sus propiedades mecánicas frente a las piezas no curadas, según la aplicación final deseada del producto, como habitualmente se hace en las técnicas de fabricación aditiva basadas en estereolitografía. Estas diferencias de las propiedades mecánicas antes y después del tratamiento de curación se muestran en la figura 4. Las diferencias entre las propiedades estudiadas, módulo de Young (E) (figura 4A), elongación a rotura (%8) (figura 4B) y resistencia a tracción (a) (figura 4C), se analizan a continuación. Para cada test, se fabricaron mediante estereolitografía por impresión 3D cinco probetas de cada formulación de resina fotocurable polvo de corcho considerando el promedio para el cálculo.Subsequently, these parts can optionally be subjected to a UV curing process in order to modify their mechanical properties compared to uncured parts, according to the desired final application of the product, as is usually done in additive manufacturing techniques based on stereolithography. These differences in the mechanical properties before and after the curing treatment are shown in figure 4. The differences between the properties studied, Young's modulus (E) (figure 4A), elongation at break (%8) (figure 4B) and tensile strength (a) (figure 4C), are discussed below. For each test, five test tubes of each cork powder photocurable resin formulation were manufactured using 3D printing stereolithography, considering the average for the calculation.

En lo que respecta al módulo de Young, la pérdida inicial del módulo para muestras no curadas se recupera tras el proceso de curado, incluso se supera al disminuir la granulometría a un tamaño inferior a las 45 pm. Dependiendo del tamaño de granulometría que se emplee se puede modular esta propiedad respecto a la resina curada, llegando incluso a superar el valor inicial de la resina fotocurable.Regarding the Young's modulus, the initial loss of the modulus for uncured samples is recovered after the curing process, and is even exceeded when the granulometry decreases to a size below 45 pm. Depending on the granulometry size used, this property can be modulated with respect to the cured resin, even exceeding the initial value of the photocurable resin.

En la elongación a la rotura, propiedad relacionada con la ductilidad del material, las probetas no curadas presentan una mayor ductilidad frente a las curadas, pudiendo mejorarse esta, cuando el corcho queda mejor integrado en la matriz fotocurable; esto se consigue con la disminución de tamaño de partícula de polvo de corcho. Si la aplicación requiere un material ligero y dúctil, se usará granulometría menor sin proceso de curado. En el caso contario se sacrifica la ductilidad con un tratamiento de curado UV.In the elongation at break, a property related to the ductility of the material, the uncured specimens present greater ductility compared to the cured ones, which can be improved when the cork is better integrated into the photocurable matrix; this is achieved by reducing the size of the cork dust particle. If the application requires a light and ductile material, a smaller granulometry will be used without a curing process. Otherwise, ductility is sacrificed with a UV curing treatment.

En lo referido a resistencia a tracción, al aditivar la resina fotocurable la resistencia a tracción disminuye nuevamente. Diferentes granulometrías de polvo de corcho proporcionan diferentes valores de resistencia a tracción. Al someter el material compuesto a un tratamiento de curación UV, en los materiales compuestos con tamaños menores en la granulometría de polvo de corcho, donde este se integra de manera más eficaz en la matriz de resina fotocurable, se consigue aumentar en gran porcentaje esa resistencia a la tracción, al igual que ocurría con el módulo de Young. Regarding tensile strength, when adding the photocurable resin, the tensile strength decreases again. Different granulometries of cork powder provide different tensile strength values. By subjecting the composite material to a UV curing treatment, in composite materials with smaller sizes in the cork powder granulometry, where it integrates more effectively into the photocurable resin matrix, this resistance is increased by a large percentage. to tensile strength, as was the case with Young's modulus.

Respecto a la conductividad térmica (k), ésta disminuye a medida que se reduce la granulometría del polvo de corcho en el material compuesto (Figura 5). Las medidas que se muestran son para los materiales compuestos ya curados, donde la diferencia respecto al no curado no es significativa al comparar material compuesto no curado y curado. En concordancia con el análisis de las propiedades mecánicas, el efecto en la reducción del tamaño de polvo de corcho beneficia la integración en la resina fotocurable, disminuyendo esta vez la conductividad térmica. Modificando el tamaño de polvo de corcho en el material compuesto se logra modular esta propiedad, posibilitando la creación de materiales de protección térmica de baja densidad.Regarding the thermal conductivity (k), it decreases as the granulometry of the cork powder in the composite material is reduced (Figure 5). Measurements shown are for already cured composites, where the difference from uncured is not significant when comparing uncured and cured composites. In agreement with the analysis of the mechanical properties, the effect in reducing the size of the cork powder benefits the integration in the photocurable resin, this time decreasing the thermal conductivity. Modifying the size of the cork powder in the composite material modulates this property, making it possible to create low-density thermal protection materials.

Como se deduce del análisis anterior, la presente invención posibilita la creación de materiales compuestos de baja densidad con diferencias significativas en las propiedades mecánicas y térmicas. Precisamente la introducción de polvo de corcho finamente dividido, provoca el descenso de la densidad del material compuesto respecto a la matriz usada. Dada la variedad de aplicaciones en las que puede usarse el corcho debido a sus propiedades, éstas últimas pueden modularse variando el tamaño y porcentaje en peso del polvo de corcho. El porcentaje de polvo de corcho empleado en el producto objeto de la presente invención respecto de la matriz de resina fotocurable es menor o igual a 30%(p/p), ya que se ha observado que porcentajes superiores tiene un efecto negativo en la procesabilidad del material compuesto.As can be seen from the above discussion, the present invention enables the creation of low-density composite materials with significant differences in mechanical and thermal properties. Precisely the introduction of finely divided cork powder causes a decrease in the density of the composite material with respect to the matrix used. Given the variety of applications in which cork can be used due to its properties, the latter can be modulated by varying the size and percentage by weight of the cork powder. The percentage of cork powder used in the product object of the present invention with respect to the photocurable resin matrix is less than or equal to 30% (p/p), since it has been observed that higher percentages have a negative effect on processability. of the composite material.

Con el presente procedimiento se abre la vía al prototipado rápido mediante estereolitografía de piezas basadas en materiales compuestos de corcho y resina fotocurable y a su uso en la industria aeroespacial, naval y automovilística, entre otras aplicaciones, donde ya se hace uso de este material con fines variados como el de protección térmica, acústica, anti-vibraciones y decoración como principales aplicaciones. El corcho es además un material de origen 100% natural cuyas características físico-químicas únicas hacen que las aplicaciones tecnológicas mediante esta técnica sean variadas.With this procedure, the way is opened for rapid prototyping by means of stereolithography of parts based on composite materials of cork and photocurable resin and for their use in the aerospace, naval and automobile industries, among other applications, where this material is already used for purposes varied such as thermal protection, acoustic, anti-vibration and decoration as main applications. Cork is also a material of 100% natural origin whose unique physical-chemical characteristics mean that technological applications using this technique are varied.

La aditivación de corcho a resinas fotopolimerizables, antes de realizar la presente invención, no se había intentado porque podría parecer una aproximación fallida, pues podría esperarse que daría lugar a un material compuesto opaco, que no podría sufrir el proceso de fotopolimerización, necesario para que funcionen las técnicas de fotopolimerización 3D en tanque. En esta invención mostramos que sí es posible realizar el proceso para ciertas distribuciones de tamaños y concentraciones de polvos de corcho, en resinas fotopolimerizables específicas utilizadas en estereolitografía.Additivation of cork to photopolymerizable resins, before carrying out the present invention, had not been attempted because it might seem a failed approach, since it could be expected that it would give rise to an opaque composite material, which could not undergo the photopolymerization process, necessary for techniques work 3D photopolymerization in tank. In this invention we show that it is possible to carry out the process for certain size distributions and concentrations of cork powders, in specific photopolymerizable resins used in stereolithography.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de imágenes que ilustren con carácter ilustrativo y no limitativo la explicación de la invención.To complement the description that is being made and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, a set of images is attached as an integral part of said description, illustrating the explanation of the invention with an illustrative and non-limiting nature. .

Figura 1. Imágenes SEM del polvo corcho sin cribar (izquierda) y corcho cribado usando una luz de malla de 45 pm (derecha), ambos empleados en la técnica descrita con resultados satisfactorio. Figure 1. SEM images of cork powder without screening (left) and cork screened using a mesh size of 45 pm (right), both used in the described technique with satisfactory results.

Figura 2. Estudio estadístico de la distribución de tamaño de partículas empleados en la presente técnica: A) Polvo de corcho sin cribar, B) Polvo de corcho cribado usando una luz de malla menor de 45 pm. Se muestra la función de distribución logarítmica normal. Figure 2. Statistical study of the particle size distribution used in this technique: A) Unscreened cork powder, B) Screened cork powder using a mesh size of less than 45 pm. The lognormal distribution function is shown.

Figura 3. Integración de polvo de corcho (5% p/p) en la resina fotocurable tras realizar impresión 3D por estereolitografía. Imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM). A) Resina fotocurable polvo sin cribar. B) Resina fotocurable polvo de corcho menor de 100 pm y mayor de 45pm. C) Resina fotocurable polvo de corcho menor de 45 pm. D) Superficie de la pieza de resina fotocurable polvo de corcho. Figure 3. Integration of cork powder (5% w/w) in the photocurable resin after 3D printing by stereolithography. Scanning Electron Microscopy (SEM) images. A) Unscreened powder photocurable resin. B) Photocurable resin cork dust less than 100 pm and greater than 45 pm. C) Photocurable resin cork dust less than 45 pm. D) Surface of the cork powder photocurable resin piece.

Figura 4. Gráficas comparativas entre las propiedades mecánicas del material no curado y material curado con radiación UV. Se muestra el módulo de Young (A), el alargamiento porcentual a rotura (B) y la resistencia a tracción (C) para las siguientes muestras ensayadas: Resina prístina (CR) y material compuesto de resina prístina con corcho (CCR) de diferente granulometría expresado en micrómetros: mezcla granulometrías (mix), 150 pm<polvo>100 pm, 100 pm <polvo>75 pm, 75 pm <polvo>45 pm y polvo < 45 pm. Figure 4. Comparative graphs between the mechanical properties of the uncured material and material cured with UV radiation. Young's modulus (A), percent elongation at break (B) and tensile strength (C) are shown for the following samples tested: Pristine resin (CR) and pristine resin-cork composite (CCR) of different Granulometry expressed in micrometers: mixture granulometry (mix), 150 pm<powder>100 pm, 100 pm <powder>75 pm, 75 pm <powder>45 pm and dust <45 pm.

Figura 5. Gráfica de valores de conductividad térmica de diferentes materiales compuestos con granulometría diferenciada: 150 pm<polvo>100 pm, 100 pm <polvo>75 pm, 75 pm <polvo>45 pm y polvo < 45 pm. Figure 5. Graph of thermal conductivity values of different composite materials with differentiated granulometry: 150 pm<powder>100 pm, 100 pm <powder>75 pm, 75 pm <powder>45 pm and dust <45 pm.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓNPREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION

La invención consiste en la formulación de un material compuesto, basado en una resina fotocurable a la cual se añade corcho finamente dividido. La peculiaridad de esta invención reside en la naturaleza del aditivo. El corcho es un biopolímero natural opaco a simple vista. Al aditivar resinas fotocurables, uno de los principales problemas es que las partículas dispersas en el interior de la resina fotosensible pueden dispersar la luz UV, dificultando el procesamiento del material compuesto. En la presente invención ese problema no está presente a un nivel que impida que la resina fotosensible, tras ser aditivada con polvo de corcho, pueda ser empleada en la fabricación aditiva mediante estereolitografía.The invention consists of the formulation of a composite material, based on a photocurable resin to which finely divided cork is added. The peculiarity of this invention resides in the nature of the additive. Cork is a natural biopolymer that is opaque to the naked eye. When adding photocurable resins, one of the main problems is that the dispersed particles inside the photoresist can scatter UV light, making it difficult to process the composite material. In the present invention, this problem is not present at a level that prevents the photosensitive resin, after being additivated with cork powder, from being used in additive manufacturing by stereolithography.

Un segundo aspecto de la invención se refiere a un procedimiento de obtención del producto objeto de la invención.A second aspect of the invention refers to a procedure for obtaining the product object of the invention.

A continuación, se explica de manera breve y concisa, a modo de ejemplo, con carácter meramente ilustrativo y sin que deba interpretarse como limitativo, un modo de realización de la invención.An embodiment of the invention is briefly and concisely explained below, by way of example, merely for illustrative purposes and without being construed as limiting.

EJEMPLO 1. En este ejemplo se expone el principio básico de la técnica de obtención del producto objeto de la invención, de manera que un experto en el campo del desarrollo de materiales compuestos para técnicas de impresión 3D pueda realizarlo y comprenda lo esencial de la invención desarrollada. EXAMPLE 1 . In this example, the basic principle of the technique for obtaining the product object of the invention is exposed, so that an expert in the field of development of composite materials for 3D printing techniques can carry it out and understand the essentials of the developed invention.

Las etapas del procedimiento que recoge el presente ejemplo son:The stages of the procedure included in this example are:

1. Molienda del corcho a partir de corcho 100% de origen natural. La molienda se realizó con procedimiento mecánico en molino o por lijado de este y aspiración del polvo para obtener un polvo fino de corcho. El tamaño medio de este polvo fue de 73,5 pm, como se observa del estudio estadístico de la distribución de tamaño de partícula de la figura 2 A. 1. Cork grinding from 100% natural cork. The grinding was carried out with a mechanical procedure in a mill or by sanding it and dust aspiration to obtain a fine cork powder. The mean size of this powder was 73.5 pm, as seen from the statistical study of the particle size distribution in Figure 2A.

. Cribado del polvo de corcho. Se obtuvo una fracción de polvo de corcho inferior a 45 pm mediante criba mecánica, con un tamaño medio de partícula de 29,3 pm (figura 2B). Así mismo se emplearon otros tamaños de polvo de corcho para demostrar la viabilidad de la técnica en el rango de tamaños de polvo de corchos mostrados en la figura 2A. La nomenclatura para las muestras que ilustran el presente ejemplo es la siguiente: 5%CCR(N/S)CXX donde 5%C expresa la cantidad de polvo de corcho en peso respecto a la resina fotocurable, CR significa clean resin (resina prístina), NC: no curada, SC: sí curada, según la muestra, y XX indica el tamaño en micras por debajo del cual está el corcho empleado para la realización del material compuesto. Para el material compuesto elaborado con polvo sin cribar, en lugar de una cifra aparece la palabra “mix", de mezcla.. Cork dust screening. A cork dust fraction of less than 45 pm was obtained by mechanical screening, with a mean particle size of 29.3 pm (figure 2B). Likewise, other sizes of cork powder were used to demonstrate the feasibility of the technique in the range of cork powder sizes shown in figure 2A. The nomenclature for the samples that illustrate this example is as follows: 5%CCR ( N/S)CXX where 5%C expresses the amount of cork powder by weight with respect to the photocurable resin, CR means clean resin (pristine resin) , NC: not cured, SC: yes cured, depending on the sample, and XX indicates the size in microns below which the cork used to make the composite material is. For composite material made from unscreened powder, the word "mix" appears instead of a number.

. Mezcla del polvo de corcho cribado con la resina fotocurable. Se realizó mezcla mecánica con agitador helicoidal con pala tipo ancla. Se prepararon 100 gramos de material compuesto, donde el polvo de corcho, anteriormente descrito en el punto 2, se añadió en una proporción del 5 % (p/p) respecto a la resina, esto es, 95 gramos de resina fotocurable pesados en balanza analítica y 5 gramos de polvo de corcho pesados en las mismas condiciones. La resina empleada en este ejemplo fue una resina comercial Form Clear v2, mezcla de un fotoiniciador y de monómeros y oligómeros acrílicos, suministrada por Formlabs. La mezcla obtenida fue introducida en un baño de ultrasonidos y posteriormente en un desecador de filtración al vacío a fin de expulsar el aire introducido en la mezcla durante el proceso de mezclado y que no afectara a la procesabilidad del material compuesto obtenido, dando estabilidad al material compuesto.. Mixture of the sieved cork powder with the photocurable resin. Mechanical mixing was carried out with a helical stirrer with an anchor-type blade. 100 grams of composite material were prepared, where the cork powder, previously described in point 2, was added in a proportion of 5% (w/w) with respect to the resin, that is, 95 grams of photocurable resin weighed on a scale analysis and 5 grams of cork powder weighed under the same conditions. The resin used in this example was a commercial Form Clear v2 resin, a mixture of a photoinitiator and acrylic monomers and oligomers, supplied by Formlabs. The mixture obtained was introduced into an ultrasonic bath and later into a vacuum filtration desiccator in order to expel the air introduced into the mixture during the mixing process and not affect the processability of the composite material obtained, giving stability to the material. compound.

. El material compuesto obtenido, denominado 5%CCRNC<45, fue esparcido en un tanque de fotopolimerización para obtener piezas impresas en 3D mediante la técnica de estereolitografía. Las piezas fueron lavadas con 2-propanol y secadas al aire durante al menos 24 horas.. The composite material obtained, called 5%CCRNC<45, was spread in a photopolymerization tank to obtain 3D printed parts using the stereolithography technique. The pieces were washed with 2-propanol and air-dried for at least 24 hours.

. Posteriormente esas piezas pueden someterse opcionalmente a un proceso de curado con radiación UV en una cámara para tal fin. Este proceso de curado tiene la finalidad de modificar las propiedades mecánicas de las piezas obtenidas respecto a las piezas no curadas, observándose diferentes efectos en función del tamaño de granulometría del polvo de corcho. Durante el desarrollo del ejemplo que ilustra la presente invención se realizó este proceso opcional para comprobar las diferencias entre el material compuesto verde y curado, existiendo diferencias significativas en cuando a módulo de Young, %alargamiento a la rotura y resistencia a tracción. Las condiciones del tratamiento de curado fueron las siguientes: las muestras fabricadas se mantuvieron a la temperatura de 60°C durante 1 hora en una cámara de curado. En la figura 4 se ilustran los datos obtenidos para el ejemplo que se describe, observándose una diferencia notable en las propiedades mecánicas del material compuesto impreso sin tratamiento de curación y con tratamiento de curación.. Subsequently, these parts can optionally be subjected to a curing process with UV radiation in a chamber for this purpose. This curing process Its purpose is to modify the mechanical properties of the pieces obtained with respect to the uncured pieces, observing different effects depending on the granulometry size of the cork powder. During the development of the example that illustrates the present invention, this optional process was carried out to verify the differences between the green and cured composite material, with significant differences in terms of Young's modulus, elongation at break and tensile strength. The conditions of the curing treatment were as follows: the fabricated samples were kept at the temperature of 60°C for 1 hour in a curing chamber. Figure 4 illustrates the data obtained for the example described, observing a notable difference in the mechanical properties of the printed composite material without curing treatment and with curing treatment.

El ejemplo que se ha expuesto se ha realizado por ser el más representativo acorde a la literatura citada. En ellos se utilizan cantidades del 5 %(p/p) de corcho respecto a la matriz polimérica como materiales compuestos más representativos. Se hace necesario resaltar en este punto que, aunque en apariencia una cantidad del 5 %(p/p) en peso pueda parecer un bajo porcentaje, para el ejemplo expuesto, este representa una cantidad de aproximadamente el 25% en volumen respecto a la resina fotocurable, teniendo en cuenta para este cálculo la densidad de la resina empleada 1,13 g/cm3 frente a la de 0,24 g/cm3 del corcho. Este valor tan bajo para la densidad del corcho hace que pequeños porcentajes en peso supongan un gran porcentaje en volumen del polvo de corcho respecto a la resina fotocurable. En la presente invención se observa que porcentajes superiores al 30%(p/p) tiene un efecto negativo en la procesabilidad del material compuesto.The example that has been exposed has been carried out because it is the most representative according to the cited literature. In them, quantities of 5% (w/w) of cork are used with respect to the polymeric matrix as the most representative composite materials. It is necessary to highlight at this point that, although apparently an amount of 5% (w/w) by weight may seem like a low percentage, for the example shown, this represents an amount of approximately 25% by volume with respect to the resin. photocurable, taking into account for this calculation the density of the resin used 1.13 g/cm3 compared to the 0.24 g/cm3 of cork. This very low value for the density of the cork means that small percentages by weight represent a large percentage by volume of the cork powder with respect to the photocurable resin. In the present invention it is observed that percentages greater than 30% (w/w) have a negative effect on the processability of the composite material.

APLICACIÓN INDUSTRIALINDUSTRIAL APPLICATION

Este procedimiento es escalable a nivel industrial, pudiendo llevarse a cabo en impresoras 3D de fotopolimerización 3D de pequeño y gran formato. This procedure is scalable at an industrial level, and can be carried out in small and large format 3D photopolymerization printers.

Claims (6)

REIVINDICACIONES 1. Material para uso en estereolitografía caracterizado por que está compuesto por:1. Material for use in stereolithography characterized in that it is composed of: a) una resina base fotocurable de aplicación en estereolitografía,a) a photocurable base resin for use in stereolithography, b) partículas de polvo de corcho con un tamaño de grano inferior a 150 ^m, donde el porcentaje en peso de polvo de corcho respecto a la matriz de resina fotocurable es menor o igual al 30% (p/p).b) cork powder particles with a grain size of less than 150 ^m, where the percentage by weight of cork powder with respect to the photocurable resin matrix is less than or equal to 30% (w/w). 2. Material para su uso en estereolitografía, según reivindicación 1, donde el porcentaje en peso de polvo de corcho respecto a la matriz de resina fotocurable es del 5% (p/p) y el tamaño de granulometría del polvo de corcho es inferior a 45 ^m.2. Material for use in stereolithography, according to claim 1, where the percentage by weight of cork powder with respect to the photocurable resin matrix is 5% (w/w) and the granulometry size of the cork powder is less than 45 ^m. 3. Procedimiento de obtención de un material para uso en estereolitografía, según reivindicaciones anteriores, caracterizado por que presenta las siguientes etapas:3. Procedure for obtaining a material for use in stereolithography, according to previous claims, characterized in that it has the following stages: a) Molienda del corcho, de origen natural o de la industria de transformación del corcho.a) Grinding of cork, of natural origin or from the cork transformation industry. b) Cribado del polvo de corcho, mediante tamiz manual o mecánico.b) Screening of cork dust, using a manual or mechanical sieve. c) Mezcla manual o mecánica del polvo de corcho cribado con la resina fotocurable.c) Manual or mechanical mixing of the sieved cork powder with the photocurable resin. d) Introducción de la mezcla obtenida en el paso anterior en un baño de ultrasonidos y posteriormente en un desecador de filtración al vacío. e) Dispersión del material obtenido en un tanque de polimerización, obteniéndose piezas impresas en 3D mediante la técnica de estereolitografía.d) Introduction of the mixture obtained in the previous step in an ultrasonic bath and later in a vacuum filtration desiccator. e) Dispersion of the material obtained in a polymerization tank, obtaining 3D printed parts using the stereolithography technique. 4. Procedimiento de obtención de un material para uso en estereolitografía, según reivindicación 3, caracterizado por que se añade una etapa opcional de curado con radiación UV que produce una modificación de las propiedades mecánicas de las piezas obtenidas.4. Procedure for obtaining a material for use in stereolithography, according to claim 3, characterized in that an optional stage of curing with UV radiation is added, which produces a modification of the mechanical properties of the pieces obtained. 5. Procedimiento de obtención de un material para uso en estereolitografía, según reivindicaciones 3 y 4, caracterizado por que utilizando un porcentaje en peso de polvo de corcho del 5% (p/p) y un tamaño de granulometría del polvo de corcho inferior a 45 ^m, se consigue un aumento del módulo de Young en el material curado respecto al material sin curar.5. Procedure for obtaining a material for use in stereolithography, according to Claims 3 and 4, characterized in that using a percentage by weight of cork powder of 5% (w/w) and a granulometry size of the cork powder of less than 45 ^m, an increase in Young's modulus is achieved in the cured material relative to uncured material. 6. Procedimiento de obtención de un material para uso en estereolitografía, según reivindicaciones 3 y 4, caracterizado por que utilizando un porcentaje en peso de polvo de corcho del 5% (p/p) y un tamaño de granulometría del polvo de corcho inferior a 45 ^m, se consigue una disminución de la conductividad térmica respecto al material sin aditivación de corcho finamente dividido. 6. Procedure for obtaining a material for use in stereolithography, according to claims 3 and 4, characterized in that using a percentage by weight of cork powder of 5% (w/w) and a granulometry size of the cork powder of less than 45 ^m, a decrease in thermal conductivity is achieved with respect to the material without finely divided cork additivation.
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