Equipos de laboratorio impresos en 3D para medir materiales a granel en condiciones extremas

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 17331 (2022) Citar este artículo

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Debido a las soluciones relativamente nuevas en el campo de la impresión 3D, existen pocos estudios sobre la posibilidad de utilizar elementos impresos en dispositivos de medición. El objetivo de este estudio fue investigar la posibilidad de utilizar instrumentos fabricados mediante el método de impresión 3D de extrusión de materiales para la medición de propiedades físico-mecánicas seleccionadas de materiales a granel. El estudio explora la viabilidad de medir las propiedades físico-mecánicas del material a granel cuando existen obstáculos para imprimir instrumentos de medición originales o modificados en la práctica común. Para lograr los objetivos, se realizaron una serie de experimentos, como las pruebas de cizallamiento anular de Schulze, las pruebas de cizallamiento FT4 de Freeman, las pruebas de compresibilidad y las pruebas de caudal y estabilidad con el uso de instrumentos originales fabricados en aluminio o acero e instrumentos impresos en 3D a partir de ácido poliláctico y estireno acrílico. materiales de acrilonitrilo, utilizando los simuladores de regolito lunar LHS-1 y LMS-1 producidos por CLASS Exolith Lab como material de muestra. Luego se compararon los resultados obtenidos de las pruebas con instrumentos originales e impresos. Los valores comparados de las pruebas mostraron la aplicabilidad de los instrumentos de medición impresos en 3D en un rango de desviación de medición del 5 %. Las mayores ventajas de los instrumentos de medición impresos en 3D fueron el menor peso, la capacidad de imprimir en el lugar, reemplazar una pieza dañada con una nueva pieza impresa en 3D bajo demanda si se necesitan resultados extremadamente rápidos o debido a la falta de disponibilidad logística, personalización de las pruebas estandarizadas para comprender mejor el comportamiento de los materiales particulados, y abaratar los costos de fabricación.

Los científicos e ingenieros lograron un desarrollo significativo en las misiones de exploración de planetas y cuerpos celestes en las últimas décadas y adquirieron conocimientos sobre sus recursos y sus propiedades. Sin embargo, además de llegar a los planetas, aterrizar de forma segura en el universo sigue siendo una tarea difícil. Para cambiar esto, los recursos geológicos, la atmósfera y los datos de radiación son recopilados por módulos de aterrizaje y rovers, que son necesarios para verificar las mediciones de las sondas desde la órbita. Los módulos de aterrizaje y rovers equipados con brazos de excavadora extraen rocas y polvo para el análisis de las propiedades de los materiales1. El objetivo es recopilar datos y preparar estrategias para construir sitios de aterrizaje y hábitats de protección contra la radiación, y desarrollar construcciones adecuadas, como infraestructura, fábricas y laboratorios, antes de la llegada de los astronautas.

Para extender y facilitar tales misiones de exploración, se necesitan dos conceptos in situ2,3. En primer lugar, son los equipos e infraestructuras de fabricación y reparación in situ (ISFR). En segundo lugar, es la utilización de recursos in situ (ISRU). Como resultado, los recursos para la fabricación lunar in situ se han estudiado intensamente en la última década y se han propuesto varias tecnologías4,5,6,7. Para simular materiales de otros planetas se utilizan productos a base de cerámica, como el regolito lunar1, que es una arena muy fina8. En medio terrestre se desarrollaron simuladores de regolito lunar con similares propiedades físico-mecánicas9, como LHT-1 M3, NU-LHT7 o JSC-1A10. Sin embargo, debido al entorno físico diferente, las propiedades materiales y el comportamiento en otros cuerpos celestes difieren de la Tierra. El comportamiento de los regolitos reales difiere según el ángulo linealizado de fricción interna (LAIF, ϕ), el ángulo efectivo de fricción interna (EAIF, δ), la función de flujo (ffc), la cohesión c y la compresibilidad, según el entorno en el que se miden los regolitos. , lugar de excavación del regolito, ambiente de origen del regolito y ambiente de transformación del regolito. La composición de los regolitos varía de un lugar a otro debido a la variabilidad en las colisiones de asteroides y la meteorización por el viento o el agua. Por lo tanto, habrá una necesidad crucial de poder medir las propiedades físico-mecánicas de los regolitos in situ y los recursos de material a granel durante las misiones de exploración11.

Debido al hecho de que el transporte de cualquier equipo desde la Tierra es muy costoso, actualmente puede llevar años llevar piezas de repuesto a la órbita. Este problema ha sido parcialmente superado por la tecnología de modelado de depósitos fusionados (FDM, marca registrada de Stratatys) modificada para microgravedad12. FDM es un tipo de fabricación aditiva (AM), donde se construye una geometría 3D mediante capas superpuestas de filamento termoplástico extruido13. La tecnología FDM modificada por los proyectos Made in Space14,15 explora la posibilidad de crear herramientas16 que los astronautas necesitan actualmente para reparaciones o trabajos. FDM permite el uso de una amplia gama de termoplásticos13 que son livianos pero duraderos y pueden soportar una cierta carga mecánica cuando se diseñan correctamente. La impresión FDM también es muy precisa y la mayoría de sus ventajas se deben a la cámara de impresión cerrada que permite mantener la temperatura interna (boquilla-lecho calentado por aire). Conduce a mejores propiedades mecánicas, donde se fortalece la adhesión entre capas y se evitan deformaciones y ondulaciones de las piezas impresas16. Sin embargo, la tecnología es muy costosa y no está ampliamente disponible para la investigación. Ampliar la capacidad y las opciones para imprimir piezas bajo demanda en órbita o durante las misiones de exploración reducirá el tiempo que lleva llevar las piezas a la órbita, reducirá los costos de la misión, reducirá la necesidad de tener todas las herramientas y piezas a bordo, al tiempo que aumentará la confiabilidad y seguridad de las misiones espaciales.

A pesar de los avances en el campo de la impresión 3D, faltan estudios sobre el uso de elementos impresos en dispositivos de medición y/o dispositivos destinados a medir materiales a granel. Traciak et al.17 desarrollaron un dispositivo impreso en 3D para medir la tensión superficial de los nanofluidos y demostraron que el resultado de la medición es comparable con los dispositivos comerciales. Bernard y Méndez18 presentaron un Polarímetro de bajo costo para ser utilizado por los estudiantes durante las clases. El estudio19 describió el comportamiento dinámico de los sensores de deformación impresos en 3D integrados en estructuras y apoyó la afirmación de que los sensores impresos en 3D podrían usarse para la medición dinámica. El estudio20 informó sobre el diseño de un sistema interferométrico compacto impreso en 3D para teléfonos celulares para medir ángulos pequeños. Todos estos estudios muestran un alto potencial de los dispositivos de impresión 3D y la falta de orientación específica para la fabricación de equipos de medición.

Para llenar el vacío en esta área, el objetivo de este estudio fue investigar la posibilidad de utilizar instrumentos de medición fabricados mediante el método de impresión 3D de extrusión de materiales para la medición de propiedades físico-mecánicas seleccionadas de materiales a granel. Debido a la inasequibilidad de la tecnología de impresión 3D FDM y los problemas relacionados, como probar los efectos de los entornos de alta radiación en las herramientas de medición impresas, en este estudio se utilizó la tecnología de impresión 3D de fabricación de filamentos fundidos (FFF). Por lo tanto, este artículo presenta un estudio de viabilidad de la medición de las propiedades físico-mecánicas de los materiales a granel utilizando instrumentos impresos en 3D, en caso de que surjan las razones para hacerlo. Lu et al.21, Li et al.22 y Pelech et al.23 demostraron por qué es importante medir propiedades físico-mecánicas de los simuladores de regolito lunar. Además, no se investiga el uso de instrumentos impresos en 3D para medir las propiedades físico-mecánicas estandarizadas de materiales particulados. Estas razones para imprimir instrumentos de medición originales o modificados también se encuentran en la Tierra, como la necesidad de un peso menor de los instrumentos de medición, la capacidad de preimprimir un juego de instrumentos de medición de laboratorio o imprimir el juego en el acto, para reemplazar una pieza dañada con una nueva pieza impresa en 3D bajo demanda, la indisponibilidad logística, la personalización de las pruebas estandarizadas para una mejor comprensión del comportamiento de los materiales particulados y el costo de fabricación más económico. Los instrumentos impresos en 3D son los preferidos cuando se necesita versatilidad de los instrumentos, peso ligero y/o resultados rápidos en las ubicaciones extremas. Si las condiciones son de laboratorio y el material particulado medido no tiene propiedades inusuales que requieran herramientas de medición personalizadas, se deben realizar pruebas estandarizadas.

Suponiendo que los instrumentos de medición se utilizarán para la misión de exploración, también se probaron muestras de simulación de regolito. Las mediciones de las propiedades físico-mecánicas como EAIF (δ), LAIF (ϕ), ffc, cohesión c, compresibilidad, energía básica de fluidez BFE, índice de estabilidad SI e índice de caudal FRI para simuladores de regolito lunar: simulador de yegua lunar ( Se presentan LMS-1) y el simulador de tierras altas lunares (LHS-1) del CLASS Exolith Lab en Orlando, EE. UU. EAIF (δ), LAIF (ϕ), ffc, c y la compresibilidad son características fundamentales del flujo de material a granel, que se utiliza para diseñar equipos de almacenamiento, manejo y procesamiento. En primer lugar, se caracterizaron dos polvos de regolito lunar por la distribución del tamaño de las partículas y su morfología. En segundo lugar, se llevó a cabo una comparación de resultados entre instrumentos de medición estándar e instrumentos impresos en 3D a partir de materiales de ácido poliláctico y acrilonitrilo de estireno acrílico. Se compararon los valores de EAIF (δ), LAIF (ϕ), ffc, c, compresibilidad, SI, FRI y BFE. Los resultados presentados en este artículo mostraron repetibilidad y precisión similar para los métodos de prueba de la prueba de cizallamiento anular de Schulze, la prueba de cizallamiento FT4 de Freeman, la prueba estándar de compresibilidad FT4 de Freeman y la prueba estándar de estabilidad y velocidad de flujo FT4 de Freeman. Esto mostró la aplicabilidad de los instrumentos impresos en 3D para los métodos de prueba en entornos extraterrestres o de difícil acceso.

Los materiales y métodos se refieren a dos áreas. La primera área son los materiales y métodos relacionados con los instrumentos de medición impresos hechos a través de la fabricación de filamentos fundidos. La segunda área de interés es el material a granel (regolito) utilizado para probar los instrumentos de medición producidos. La subsección de Pruebas de materiales a granel describe todas las pruebas relacionadas con el examen del rendimiento de los instrumentos de medición impresos en 3D, de los instrumentos de medición impresos en 3D en combinación con los componentes originales de acero inoxidable y de los instrumentos originales de acero inoxidable.

Los instrumentos de medición se imprimieron mediante tecnología de impresión 3D de fabricación de filamentos fundidos (FFF) en una impresora Prusa i3 MKS3 (Praha, República Checa), que se muestra en la Figura 1a. Se utilizaron filamentos PLA y ASA fabricados por Prusament. El filamento ASA es el sucesor del filamento ABS con propiedades superiores, como estabilidad UV, alta resistencia al impacto, resistencia al desgaste y una capacidad de impresión más fácil para el método de impresión FFF24.

(a) impresora Prusa i3 MKS3 con hoja y recipiente impresos en 3D de FT4; (b) celda de corte de tamaño S de Schulze con tapa (de arriba a abajo, aluminio, CAD 3D de Autodesk Inventor 2021, impreso en 3D); (c) Celda de corte de Schulze cortada en PrusaSlicer versión 2.3.0. Esta figura fue creada en Gimp 2.10.32.

La impresora Prusa i3 MKS3 utiliza máquinas controladas numéricamente con código G, lo que permite a los usuarios proporcionar instrucciones que indican a los motores dónde moverse, qué tan rápido moverse, qué camino seguir y qué tan rápido alimentar el filamento. Antes de crear el código G, se crea un modelo CAD en 3D del original que podría imprimirse en 3D como se muestra en la Figura 1b. Los códigos G para las impresiones se cortaron en PrusaSlicer versión 2.3.0 con una altura de capa de 0,20 mm, como se muestra en la Figura 1c. El relleno de todas las partes tenía diferentes rellenos que se muestran en esta sección. El patrón de relleno se eligió como giroide excepto para el 100% de relleno, que se ve obligado a ser rectilíneo. Los instrumentos PLA se imprimieron a una temperatura de extrusión de 210 °C y una temperatura de lecho de 60 °C. Los instrumentos ASA se imprimieron a una temperatura de extrusión de 260 °C y una temperatura de lecho de 110 °C.

Para las pruebas RST-01.pc (RST) de Schulze, utilizamos un conjunto de celda de corte y tapa de diferentes materiales (aluminio original, PLA impreso, ASA impreso). Las pruebas RST se describen en la siguiente subsección Pruebas de materiales a granel.

Para las pruebas del Freeman's Flow Tester 4 (FT4), utilizamos un recipiente de muestra de medición de 85 ml como conjunto de piezas que contendrán la muestra en polvo durante las mediciones. Los recipientes de muestra e instrumentos impresos en 3D se imprimieron a partir de filamentos PLA y ASA. Estos instrumentos impresos requerían modificaciones de diseño para soportar cargas mecánicas. Los recipientes impresos se imprimieron en su totalidad o se imprimieron parcialmente en 3D y también se componían de componentes originales, como el pistón de compresión y la cuchilla fabricados en acero inoxidable. En general, utilizamos un conjunto de especímenes (acero inoxidable original, impreso en PLA, impreso en ASA) y sus combinaciones (recipiente original con cuchilla PLA, recipiente original con cuchilla ASA, recipiente PLA con cuchilla original y recipiente ASA con cuchilla original). cuchilla). Las pruebas de FT4 se describen en la siguiente subsección Pruebas de materiales a granel.

La tecnología de impresión 3D de fabricación de filamentos fundidos (FFF) crea piezas capa por capa. Una consecuencia de la formación de capas es la presencia de poros y heterogeneidades que provocan un comportamiento anisotrópico y una orientación preferencial de las grietas25. La resistencia de las piezas al daño mecánico depende de la orientación de las capas depositadas26,27,28. Por lo tanto, la orientación de las piezas en la cama de la impresora 3D es una consideración importante al fabricar componentes29,30,31. La orientación de los instrumentos de medición se eligió en consecuencia, como se muestra en la Figura 2, y se realizaron modificaciones de diseño a los instrumentos de medición para evitar daños debido a la carga mecánica. La Figura 2 es ilustrativa para mostrar la estratificación de las partes de abajo hacia arriba y la imagen no muestra el material de soporte, la interfaz del material de soporte, el faldón, el relleno del puente y el perímetro saliente. Las capas se apilan de abajo hacia arriba. La Figura 2a muestra la pequeña celda anular, la tapa y los pasadores de conducción de Schulze. La Figura 2b muestra las capas de la parte inferior, la parte superior y el embudo del FT4. La Figura 2c muestra las capas del eje del FT4 con la tuerca, la cabeza de corte, la cuchilla y el pistón ventilado.

(a) La estratificación de la celda de anillo pequeño de Schulze (tamaño S), la tapa y los pasadores de conducción; (b) la estratificación de la parte inferior, la parte superior y el embudo del FT4; (c) la superposición del eje del FT4 con la tuerca, la cabeza de corte, la cuchilla y el pistón ventilado. La estratificación fue generada por PrusaSlicer versión 2.3.0. Esta figura fue creada en Gimp 2.10.32.

La celda anular pequeña de Schulze (tamaño S)32 se imprimió con la placa inferior como una sola pieza. Se imprimieron por separado tres pasadores con ajuste de interferencia para girar la celda mediante el eje motriz. La tapa de Schulze a juego con la pequeña celda anular se imprimió como una sola pieza. Las barras de corte32 se engrosaron de 1 a 2 mm y no se utilizaron tornillos. El diseño de la celda de corte con tapa original, modelada en 3D y fabricada en PLA se muestra en la Fig. 1b. Las piezas pesadas, las piezas impresas pesadas con soportes y su porcentaje de relleno utilizado en la impresión se muestran en la Tabla 1. La celda de corte de aluminio original pesaba 728,4 g y la tapa de aluminio original con barras de corte de acero inoxidable pesaba 235,4 g. Las piezas impresas en PLA pesaban 2,6 veces menos, y la celda impresa en ASA pesaba casi 3 veces menos que las piezas originales. El relleno utilizado para todas las piezas impresas de Schulze fue del 100 %. Las diferencias de peso se deben a las diferentes densidades del material. El aluminio tiene una densidad de 2,7 g.cm-3, el filamento PLA tiene una densidad de 1,24 g.cm-3 y el filamento ASA tiene una densidad de 1,07 g.cm-3.

El conjunto de medición FT4 impreso en 3D y el conjunto de medición original se muestran en la Figura 3b y c. El recipiente de muestra de FT4 está hecho originalmente de cinco piezas, que se redujeron a dos partes. La parte inferior impresa en 3D ha reemplazado el recipiente de 85 ml con un diámetro interior de 48 mm, su parte inferior extraíble, el soporte que lo mantiene en su lugar durante la medición y el soporte giratorio para la parte superior. La parte superior impresa en 3D se reemplazó por el recipiente superior de 85 ml con un diámetro interior de 48 mm y está asentado de manera pivotante en la parte inferior. El ensamblaje del vaso original de dos vasos de 85 ml con fondo removible, un soporte que mantiene todo el vaso en su lugar durante la medición y un soporte giratorio para la parte superior pesaba 291,8 g. El ensamblaje del recipiente original para la medición del ángulo de fricción interna se diferenciaba por tener un fondo removible para la fricción interna y pesaba 289,9 g. Los ensamblajes de recipientes impresos de PLA para mediciones de compresibilidad y fricción interna pesaban aproximadamente 3 veces menos que los ensamblajes originales. Los ensamblajes de recipientes impresos de ASA pesaban más de 3,3 veces menos que los ensamblajes originales.

Diseño de instrumentos FT4 (a) eje impreso, cuchilla, pistón ventilado y cabeza de corte de FT4; (b) juego de medición de FT4 impreso en PLA; (c) juego de medición de FT4 original. Esta figura fue creada en Gimp 2.10.32.

El embudo impreso en 3D tenía una altura reducida, lo que no afecta la medición. El embudo original está hecho de plástico y pesaba 30,7 g. El embudo impreso PLA pesaba 25,8 g y el embudo impreso ASA pesaba 22,2 g.

Los instrumentos de medición de FT4, como el cabezal de corte, la cuchilla y el pistón ventilado, se imprimieron en 3D en dos partes. La primera parte fue el eje con la tuerca, que era el mismo para los tres instrumentos de medición. El eje estaba conectado a la segunda parte por el extremo de un eje de sección transversal cuadrada (Figura 3a). Esta conexión moldeada transmite el par sin que las dos partes de la herramienta de medición giren una contra la otra. La precisión de fabricación del método de impresión FFF creaba una ligera superposición que permitía unir las dos partes a mano, pero no requería protección contra la eyección. El relleno del eje se eligió en un 7 % para superar la deformación durante la impresión con filamento ASA. La configuración de relleno mejora las tolerancias y las dimensiones geométricas, como el descentramiento radial y el descentramiento total del eje. Las segundas partes de la cuchilla, el pistón ventilado y el cabezal de corte se imprimieron con una configuración de relleno del 15 %. Se hicieron modificaciones de diseño a los instrumentos para evitar daños debido a la carga mecánica, las barras de corte de la cabeza de corte se engrosaron de 0,1 a 0,8 mm y la cuchilla se engrosó de 0,7 a 1,8 mm. El cabezal de corte impreso en 3D se imprimió como una sola pieza, por lo que los tornillos no se usaron en el diseño. La cuchilla se modificó aún más para garantizar fuerzas y pares similares durante el acondicionamiento de las muestras medidas. La curvatura de la hoja tenía menos flexión, lo que resultó en un ángulo más pequeño en cada extremo de la hoja (Figura 3a). La hoja original tenía el extremo de la hoja curvado en un ángulo de 70 grados, mientras que el extremo de la hoja impresa en 3D solo está curvado en un ángulo de 40 grados.

El precio de la impresión 3D tiene sus ventajas. El material para la impresión 3D (PLA y ASA) es aproximadamente 3 veces más caro por kilo que el aluminio o el acero inoxidable. Sin embargo, los instrumentos impresos en 3D son entre 2,5 y 10 veces más ligeros que los originales. Después de tener en cuenta el desperdicio de producción, la diferencia en el peso del material es aún mayor. Los costes se diversifican según el coste del mecanizado, la complejidad del mecanizado, la necesidad de cambiar las herramientas de mecanizado. En cambio, la impresión 3D es más versátil, más sencilla y con menor peso del producto final. Los costos de producción de los instrumentos originales son al menos 30 veces más altos que los de los instrumentos impresos en 3D.

Regolito es un término terrestre que también se usa para referirse a materiales en otros cuerpos celestes. Hoy en día, se utiliza como una expresión común para una capa de material rocoso fragmentario. La formación y evolución del regolito es un proceso complejo. En la formación del regolito lunar se han determinado dos mecanismos básicos. En primer lugar, destructivo, que es la excavación del regolito existente por cráter de impacto, y en segundo lugar, constructivo, que es la adición de nuevas capas. Estos procesos provocan diferencias estructurales y estratigráficas muy amplias en el regolito, incluso entre ubicaciones separadas por pocos metros11.

Los polvos de simulación de regolito lunar son terrestres y se basan en muestras analizadas mediante experimentos llevados a cabo directamente en la Luna o monitoreados de forma remota desde la Tierra11. Como se mencionó anteriormente, los materiales utilizados en este estudio son dos simuladores de regolito lunar. Estos dos polvos fueron hechos por CLASS Exolith Lab. Los simuladores, que se muestran en la Fig. 4a, están hechos de materiales terrestres naturales en un entorno terrestre y, por lo tanto, no se pueden copiar todas las propiedades del simulador de yegua lunar (LMS-1) y el simulador de tierras altas lunares (LHS-1). El productor garantiza propiedades como la mineralogía, la química a granel y la distribución del tamaño de las partículas. Sin embargo, la forma de las partículas, la reactividad, la oxidación y la meteorización son propiedades mal simuladas en los simuladores.

(a) Simulador de regolito lunar LHS-1 (arriba) y LMS-1 (abajo); (b) configuración de la prueba de corte de Schulze; ( c ) Configuración de prueba de corte de FT4. Esta figura fue creada en Gimp 2.10.32.

Aunque el tamaño de partícula está garantizado por el fabricante entre 0 y 1 mm, se llevó a cabo un análisis granulométrico. Se utilizó el analizador láser Cilas 1190 (Cilas, Orleans, Francia) para medir la distribución del tamaño de partícula por el método de difracción de Fraunhofer31. Se usó agua como medio de medición porque ni LHS-1 ni LMS-1 se disolvieron en agua. Se usó sonicación durante las mediciones para asegurar la dispersión completa de la muestra. La muestra dispersa en el medio se midió utilizando una luz coherente con una longitud de onda de 830 nm de un diodo láser de baja potencia. Los valores resultantes fueron evaluados directamente en el dispositivo Cilas33,34. La interpretación se basó en la teoría de Fraunhofer35. Cada muestra se midió tres veces, por lo que los parámetros resultantes son los valores medios de dmedia, d10, d50 y d90.

La forma de las partículas es una propiedad de un material a granel que afecta su comportamiento durante la extracción, procesamiento y almacenamiento. Como se mencionó anteriormente, el fabricante del simulador de regolito lunar no intenta simular formas exactas de partículas. El regolito lunar está formado por varios procesos que son los impactos constantes de asteroides pequeños y grandes y que son exclusivos de las condiciones sin aire de la Luna11. Por lo tanto, la evaluación de las formas de las partículas que se presenta en este documento es solo ilustrativa y se basa en fotografías de microscopio electrónico de barrido (SEM).

Las siguientes pruebas se utilizaron para probar el rendimiento de los instrumentos de medición impresos. Para verificar la estabilidad de la medición de los instrumentos impresos, también utilizamos instrumentos impresos en 3D en combinación con instrumentos originales de acero inoxidable e instrumentos originales de acero.

Las propiedades de corte muestran la facilidad con que fluye el material particulado. Para que se produzca un flujo de material particulado, se debe superar el punto de fluencia. El punto de fluencia está muy influenciado por las propiedades físico-mecánicas de las partículas, como las propiedades superficiales, la forma y el tamaño. Otras variables, como el contenido de humedad, las fuerzas de Van der Waals o el nivel de aditivo de flujo, también afectan el flujo del material a granel. Las propiedades de corte de los materiales a granel se utilizan en el diseño de equipos de manipulación, almacenamiento y procesamiento.

Las propiedades de flujo de los materiales a granel se utilizan en diversas aplicaciones36, generalmente cuantificadas como ángulo linealizado de fricción interna (LAIF, ϕ), ángulo efectivo de fricción interna (EAIF, δ) y función de flujo ffc para describir el comportamiento del material a granel37. Los valores de EAIF (δ), LAIF (ϕ), ffc y cohesión c se midieron en Schulze Ring Shear Tester RST-01.pc (Wolfenbuttel, Alemania, Fig. 4b y Freeman's FT4 Powder Tester (Freeman Technology, Tewkesbury, Gloucestershire , Reino Unido, Fig. 4c 38. Los principales parámetros monitoreados son EAIF (δ), LAIF (ϕ), cohesión c y función de flujo ffc39,40.

Las mediciones de AIF (δ, ϕ), ffc y c tuvieron un esfuerzo normal previo al corte de 10 000 Pa, puntos de corte con valores de esfuerzos normales de 250 Pa, 500 Pa, 1 000 Pa, 2 500 Pa, 5 000 Pa y 7 500 Pa. Los valores resultantes de AIF (δ, ϕ), ffc y cohesión c fueron el promedio de diez mediciones. Se realizaron doce combinaciones de mediciones para dos dispositivos de medición, dos simuladores de regolito lunar (LHS-1 y LMS-1) y tres materiales del conjunto de medición (acero y materiales plásticos aditivos) dando un total de 120 mediciones. Los métodos de medición de AIF (δ, ϕ), ffc y c fueron rotacionales. Sin embargo, hubo diferentes procedimientos de medición y características en la celda de corte. Una comparación reciente mostró que, en la mayoría de los casos, se obtienen valores más bajos de EAIF (δ), LAIF (ϕ) y ffc usando FT436. Debido a la geometría incomparable, las proporciones de área y los tamaños de celda, el volumen total de la muestra es diferente. En general, este comportamiento se deriva de la propiedad de los materiales a granel de que el material a granel fluye con menos facilidad a través de secciones transversales más pequeñas.

La celda de corte anular y la tapa de Schulze, y el recipiente de muestra, el embudo, la cuchilla, el pistón ventilado y el cabezal de corte de FT4 se imprimieron en 3D a partir de filamentos PLA y ASA. Los diseños de instrumentos impresos y sus modificaciones se describen en la sección Equipos impresos de fabricación de filamento fundido. Todas las piezas impresas en 3D se calibraron adecuadamente antes de la medición porque ejercían menos presión debido a su menor peso.

La compresibilidad es una propiedad de los materiales a granel que muestra el cambio en la densidad aparente en función de la presión de consolidación. La medida de la compresibilidad no es una propiedad de corte ni una propiedad de flujo del material a granel, pero depende de cantidades similares. Esta propiedad se ve afectada por la distribución del tamaño de las partículas, la cohesión, la textura de la superficie de las partículas, la forma de las partículas y la rigidez de las partículas. La compresibilidad es una propiedad importante para el diseño de equipos de proceso como silos, transportadores, mezcladores, equipos de compactación y prensas de tabletas41.

La compresibilidad se midió con el reómetro de polvo FT4 de Freeman Technology con prueba de compresibilidad estándar42. La prueba estándar obtuvo datos expresando el porcentaje de compresibilidad para una carga normal de 0,5 a 15 kPa aplicada sobre la muestra. Se midieron muestras de simuladores de regolito lunar en el recipiente de muestra de 85 ml con un diámetro de 50 mm. Se utilizaron pistones de compresión ventilados de 47,5 mm de diámetro y álabe de 48 mm.

Estas modificaciones de diseño se describieron en la sección Equipos impresos de fabricación de filamento fundido. Para cada juego de instrumentos (acero inoxidable original, impreso en PLA, impreso en ASA), se realizaron 10 mediciones.

El índice de estabilidad (SI), el índice de velocidad de flujo (FRI) y la energía de fluidez básica (BFE) se analizaron utilizando el reómetro de polvo FT4 de Freeman de la manera descrita anteriormente (Freeman Technology, Tewkesbury, Gloucestershire, Reino Unido)42. Las mediciones SI, FRI y BFE se realizan utilizando la prueba estandarizada preestablecida en el reómetro de polvo FT4. Las medidas SI y FRI se realizaron en un recipiente de 65 ml. Se tomaron cinco medidas para cada conjunto de materiales del instrumento (acero inoxidable original, PLA impreso, ASA impreso) y sus combinaciones (recipiente original con cuchilla PLA, recipiente original con cuchilla ASA, recipiente PLA con cuchilla original y recipiente ASA con cuchilla original) .

El índice de estabilidad (SI) de un polvo42 muestra las propiedades de flujo condicionadas bajo la acción de fuerzas durante el flujo, que pueden cambiar debido a la tendencia del polvo a la aglomeración, apelmazamiento y desgaste. El programa SI mide el material particulado mediante una secuencia de acondicionamiento seguida de un ciclo de prueba. Los ciclos de ensayo se repiten siete veces. Los siete puntos de medición forman una línea recta y cuanto más estable es el polvo, más recta es la línea. El SI se define como la relación entre la energía consumida durante la prueba 7 y la energía consumida durante la prueba 143. Cuanto más se acerca el SI a 1, más estable es el polvo medido. Si el SI > 1, el polvo medido se ve afectado por la absorción de humedad, la segregación, la aglomeración, la desaireación y la carga electrostática. Si el SI < 1, entonces el polvo medido se ve afectado por la mezcla excesiva, la desaglomeración, el desgaste y el recubrimiento aditivo de la cuchilla y del recipiente42.

La variable FRI42 se mide como caudal decreciente en los puntos de medición 8 al 11, donde el Caudal de la pala disminuye de 100 mm.s-1 a 10 mm.s-1. El FRI de la cuchilla indica la sensibilidad del polvo medido y se expresa como índice de caudal (FRI). Los polvos no cohesivos muestran menos cambios sensibles para el FRI, que se define como la relación entre la prueba de energía 11 y la prueba de energía 842. El FRI < 1 tiene polvos con una fluidez extremadamente buena. El FRI = 1 tiene polvos con un revestimiento superficial o una gran distribución de tamaño de partículas, lo que los hace insensibles a cambios en la velocidad de flujo. La mayoría de los polvos medidos tienen una sensibilidad de caudal 3 > FRI > 1,5. Si el FRI > 3, entonces el polvo es demasiado sensible al cambio de velocidad de flujo43.

La Energía Básica de Fluidez (BFE)42 es una propiedad definida por la energía consumida para el punto 7 durante la prueba de flujo variable estandarizada, que corresponde a la energía de flujo43. La energía consumida por el flujo específico se genera en el volumen exacto del recipiente a medida que la pala se mueve hacia abajo.

Las distribuciones de tamaño de partículas de los simuladores de regolito LHS-1 y LMS-1 se muestran en la Figura 5 y los valores de dmean, d10, d50 y d90 se dan en la Tabla 2.

La distribución del tamaño de partículas (diferencial y acumulativa) para los simuladores de regolito LMS-1 y LHS-1.

Para ambos simuladores, todas las partículas eran menores de 500 µm. LHS-1 tenía partículas más pequeñas que LMS-1, como se muestra en la Tabla 2. Los parámetros dmean, d10, d50 y d90 muestran que la diferencia en el tamaño de las partículas se debe a una mayor representación de una fracción más grande de 80 a 400 µm. Las fotografías SEM complementan adecuadamente la caracterización de LMS-1 y LHS-1 (Figura 6). Las fotografías muestran la forma angular facetada de las partículas del simulador de regolito lunar.

Fotos de microscopio electrónico de barrido (SEM) de simuladores de regolito lunar (a) LMS-1 y (b) LHS-1.

Los valores de EAIF (δ), LAIF (ϕ), la función de flujo ffc y la cohesión c son valores promedio de 10 mediciones. La Tabla 3 muestra EAIF (δ) con desviación estándar (SDδ), su valor máximo (δmax) y su valor mínimo (δmin), LAIF (ϕ) con desviación estándar (SDϕ), valor máximo (ϕmax) y su valor mínimo (ϕmin). La Tabla 4 muestra la función de flujo ffc con desviación estándar (SDffc), su valor mínimo (ffcmin) y valor máximo (ffcmax), cohesión c con desviación estándar (SDc), su valor mínimo (cmin) y valor máximo (cmax). Como se puede ver en las tablas (a continuación), los datos se dividieron en dos partes, la mitad superior con la muestra LMS-1 y la mitad inferior con la muestra LHS-1. Cada mitad de las tablas se basa en mediciones RST y FT4 de la combinación adecuada de simulador de regolito y conjunto de instrumentos de corte.

La comparación entre los métodos de medición RST y FT4 no debe tomarse sin ambigüedades. Los valores de EAIF (δ), LAIF (ϕ), ffc y c correspondieron al tamaño de la superficie de corte, siendo mayor para el RST (8482 mm2) y menor para el FT4 (1879 mm2)44. Sin embargo, una comparación de los métodos de prueba de cizallamiento estándar RST y FT4 entre los simuladores de regolito LMS-1 y LHS-1 mostró una fluidez ligeramente mejor del polvo LHS-1. Las propiedades de flujo resultantes de LHS-1 se deben a la mayor fracción de partículas por debajo de 80 µm en el polvo. Las partículas más pequeñas actúan como un lubricante que permite que las partículas más grandes giren a una posición con posibilidad de movimiento. La cohesión c muestra el efecto macro de las propiedades de fluidez de los polvos.

La correlación entre LMS-1 y LHS-1 es interesante, ya que el polvo anterior tuvo peores resultados de comparación para conjuntos de instrumentos de diferentes materiales. Los resultados obtenidos a partir de las mediciones del polvo LMS-1 en RST con la celda de corte y la tapa de aluminio originales tuvieron una fluidez ligeramente peor que las mediciones con las celdas de corte y las tapas impresas con PLA y ASA. Esto es evidente a partir de los valores más bajos de ffc y los valores más altos de EAIF (δ) y LAIF (ϕ) medidos con el conjunto original en comparación con las medidas del instrumento impreso en 3D. La celda de corte impresa de ASA y la tapa mostraron la desviación estándar más pequeña para EAIF (δ) y LAIF (ϕ). Aunque el valor de desviación estándar para ffc fue el más pequeño para el conjunto de instrumentos original, la diferencia con otros conjuntos de materiales fue insignificante. La observación más llamativa que surgió de la comparación de datos fue el polvo LMS-1 medido en FT4. Las diferencias entre AIF (δ, ϕ) fueron de hasta 3°, y la diferencia en ffc fue de hasta 2°. Sin embargo, el EAIF (δ) y el ffc ligeramente peores del LMS-1 medidos en FT4 se deben a la sección transversal del vaso de cizallamiento más pequeña.

Curiosamente, para el polvo LHS-1, se observó una buena correlación de los resultados medidos en el RST entre las tres combinaciones de los materiales de la celda de corte y la tapa. El peor ffc se midió en el RST con instrumentos originales para polvo LHS-1, pero la diferencia con los conjuntos de instrumentos de otros materiales fue insignificante. Incluso en el caso de las mediciones de polvo LHS-1 en FT4, se encontró una correlación positiva significativa entre los tres conjuntos de instrumentos de medición. Los valores de ffc medidos en el FT4 mostraron la mejor correlación de todas las mediciones al comparar entre conjuntos de instrumentos de diferentes materiales.

Pasamos ahora a los resultados experimentales de la cohesión c, que muestra una correlación con las desviaciones EAIF (δ), LAIF (ϕ) y ffc. El polvo LMS-1 muestra diferencias significativas en los resultados de cohesión c. Los resultados medidos de la cohesión c son algo contradictorios. Se debe a los valores reducidos medidos en el RST con los instrumentos impresos PLA y ASA, pero valores aumentados medidos en el FT4 con los instrumentos impresos PLA y ASA en comparación con los conjuntos de instrumentos originales para ambos dispositivos.

Los valores resultantes, que se muestran en la Fig. 7, se promediaron a partir de diez mediciones del cambio porcentual en volumen después de la compresión. Las curvas de compresibilidad presentadas muestran una alta concordancia cuando se comparan los instrumentos originales e impresos en 3D. El polvo LHS-1 con partículas más finas tuvo una mayor compresibilidad. Para 15 kPa de tensión normal aplicada, su volumen cambió en más del 10%. El polvo LMS-1 mostró compresibilidad de más del 6% para 15 kPa de tensión normal aplicada.

Compresibilidad de los polvos LMS-1 y LHS-1 medida con instrumentos originales e impresos en 3D.

El objetivo del estudio fue investigar el efecto de los instrumentos y recipientes impresos en 3D en los valores de compresibilidad medidos. Los valores mostraron desviaciones insignificantes como se muestra en la Fig. 7. Un hallazgo inesperado fue que el cizallamiento del polvo después del acondicionamiento inicial tuvo el mayor efecto sobre el resultado medido. Si este cizallamiento del polvo no tuvo lugar casi perfectamente en el plano, el resultado posterior fue notablemente diferente. Este hallazgo se aplica tanto al vaso original como al vaso impreso en 3D. Sin embargo, los recipientes impresos en 3D tenían una superficie ligeramente más plana en el plano de corte, lo que aumentó el efecto y la necesidad de un corte perfecto del polvo. Una correlación positiva significativa entre el tamaño del diámetro del pistón ventilado impreso en 3D y los resultados de compresibilidad. Debido a la contracción durante la impresión 3D, el tamaño del diámetro en el modelo CAD se modificó para que coincidiera con el pistón ventilado original después de la impresión 3D.

Los resultados de la dependencia de la energía consumida durante las pruebas con la velocidad de la punta de la pala se muestran en la Fig. 8. Los resultados son el promedio de 5 mediciones. Ambos polvos mostraron valores muy estables de Índice de Estabilidad (SI). Sin embargo, los valores del Índice de Velocidad de Flujo (FRI) mostraron un comportamiento diferente para los dos regolitos. La diferencia más significativa estuvo en el consumo de energía durante las pruebas, con el regolito en polvo LMS-1 mostrando un BFE [mJ] mucho más alto que el regolito en polvo LHS-1.

Resultados promedio de las pruebas estandarizadas del índice de estabilidad, el índice de caudal y la energía básica de fluidez—izquierda LMS-1,—derecha LHS-1.

La desviación SI más grande para la medición LMS-1 fue en el recipiente original con una hoja impresa ASA, donde SI = 1,00 con una desviación estándar menor que σSI = 0,024, el valor mínimo de SImin = 0,96 y el valor máximo de SImax = 1,02. Las otras mediciones LMS-1 tuvieron el valor SI promedio de 0,97 < SI < 1,02, una desviación estándar menor que σSI = 0,02, el valor mínimo SImin = 0,95 y el valor máximo SImax = 1,04. Se midieron valores SI similares para el regolito en polvo LHS-1. La desviación más grande en la medición del SI fue para el vaso impreso de ASA con la hoja original, donde el valor promedio SI = 1.01 tuvo una desviación estándar menor a σSI = 0.038, el valor mínimo SImin = 0.97 y el valor máximo SImax = 1.08. Para las otras mediciones de LHS-1, el SI promedio fue menor a 0.97 < SI < 1.02, la desviación estándar menor a σSI = 0.029, el valor mínimo SImin = 0.94 y el valor máximo SImax = 1.03.

Aunque SI mostró una estabilidad similar para ambos polvos, el FRI mostró un comportamiento diferente. La desviación más grande en la medición de FRI del regolito en polvo LMS-1 fue para el recipiente original con hoja impresa ASA, donde el valor promedio de FRI = 1.20 con la desviación estándar menor que σFRI = 0.034, el valor mínimo FRImin = 1.16 y el valor máximo FRImax = 1,24. Las otras mediciones LMS-1 tuvieron el valor FRI promedio de 1,17 < FRI < 1,23, la desviación estándar menor que σFRI = 0,015, el valor mínimo FRImin = 1,15 y el valor máximo FRImax = 1,23. La medición de FRI del regolito en polvo LHS-1 mostró una diferencia, con un valor promedio de FRI de 1,56 < FRI < 1,76, siendo la desviación estándar menor que σFRI = 0,036, siendo el valor mínimo FRImin = 1,54 y el valor máximo siendo FRImax = 1.81. El polvo LMS-1 mostró menos sensibilidad que el polvo LHS-1.

Los valores de energía de fluidez básica (BFE) mostraron la dependencia de la velocidad de la punta de la pala de 100 mm.s-1 del consumo de energía durante la prueba 7. Se encontró una fuerte correlación entre la técnica de fabricación del recipiente y el consumo de energía durante la prueba. Debido a las capas del vaso que se forma durante la impresión 3D, el consumo de energía aumentó. Se mencionó una descripción más detallada de la modificación y la impresión 3D en la sección Equipos impresos de fabricación de filamentos fundidos.

Las mediciones de BFE del polvo LMS-1 con el recipiente original mostraron valores promedio en el rango de 4 843 mJ < BFE < 5 092 mJ, con la desviación estándar σBFE = 200 mJ, el valor mínimo BFEmin = 4 692 mJ y el máximo valor BFEmax = 5 291 mJ. Cuando se midieron en los recipientes impresos en 3D, los valores de BFE aumentaron en 1 435 mJ a valores promedio en el rango de 6 277 mJ < BFE < 6 487 mJ, con la desviación estándar σBFE = 172 mJ, el valor mínimo BFEmin = 6 133 mJ y el valor máximo BFEmax = 6 777 mJ.

Las mediciones del polvo LHS-1 mostraron un aumento similar en el consumo de energía para el recipiente no original. Los valores promedio de BFE para el recipiente original oscilaron entre 2 473 mJ < BFE < 2 658 mJ, con la desviación estándar σBFE = 81 mJ, el valor mínimo BFEmin = 2 382 mJ y el valor máximo BFEmax = 2 749 mJ. Los valores promedio de BFE aumentaron en 976 mJ cuando se midieron en los recipientes impresos en 3D, dando un rango de 3 422 mJ < BFE < 3 617 mJ, con la desviación estándar σBFE = 162 mJ, el valor mínimo BFEmin = 3 291 mJ y el máximo valor BFEmax = 3 837 mJ. Los valores promedio de BFE medidos en los recipientes impresos en 3D podrían mejorarse al tratar la superficie interna del recipiente después de la impresión en 3D. Sin embargo, esta comparación mostró la importancia del material del recipiente y el método de fabricación.

El objetivo de este estudio fue investigar la posibilidad de utilizar instrumentos de medición fabricados mediante el método de impresión 3D de extrusión de materiales para medir propiedades físico-mecánicas seleccionadas de materiales a granel en condiciones extremas. Este estudio mostró que los métodos de medición utilizados, como la prueba de cizallamiento anular de Schulze, la prueba de cizallamiento de FT4, la prueba de compresibilidad de FT4 y las pruebas de caudal y estabilidad de FT4, pueden llevarse a cabo utilizando instrumentos de medición intercambiables. Sin embargo, esta problemática tiene sus puntos, y es importante tener claro los pros y los contras y saber qué resultados se ven afectados y cómo. Debido a las diferentes propiedades mecánicas de los materiales utilizados para los instrumentos de medida, entre el original (acero o vidrio) y la impresión 3D (plásticos), surge la cuestión de la influencia en el proceso de medida. Específicamente, esto se relacionará con la rugosidad y rigidez de la superficie. La rugosidad y la rigidez de la superficie se pueden ajustar dentro de ciertos límites mediante el proceso de impresión 3D. Además, la tribocarga puede ser un parámetro crucial para algunos tipos de materiales, lo que afecta los resultados de la medición, por ejemplo, para materiales de grano muy ligero y pequeño. En el caso de nuestra investigación, no se asumió ningún efecto significativo de la tribocarga. La celda de corte y la tapa32 de Schulze eran al menos 2,5 veces más livianas que los instrumentos de medición originales cuando se usaban instrumentos impresos PLA, y más de 3 veces más livianas que los originales cuando se usaban instrumentos impresos ASA. La celda de corte y la tapa de Schulze impresas en 3D podrían ser aún más ligeras, debido a la dependencia del porcentaje del relleno que podría bajar con menos tensión normal. Los recipientes del FT4 impreso en 3D eran más de 2,6 veces más ligeros que los ensamblajes de recipientes originales42. Los instrumentos de medición del FT4 impresos en 3D eran más de 4 veces más livianos que los instrumentos de medición originales, y la cuchilla y el cabezal de corte impresos por ASA eran incluso más de 10 veces más livianos.

En cuanto a la elección del método de impresión 3D, utilizamos el método FFF porque optamos por una opción económica y sencilla. El método FDM fue patentado por la empresa Stratatys. En comparación con FFF, la impresión FDM es más precisa, tiene una mejor calidad superficial y las piezas tienen mejores propiedades mecánicas. La desventaja es el alto precio y la necesidad de usar siempre un material de soporte soluble. La mayoría de las ventajas se deben a la cámara de impresión cerrada que permite mantener la temperatura interna (por ejemplo: 90 °C para ABS). Este tipo de entorno de impresión se denomina caliente-caliente-caliente (cama calentada por aire-boquilla) como opuesto al entorno FFF caliente-frío-caliente. Conduce a mejores propiedades mecánicas, donde se fortalece la adhesión entre capas y se evitan deformaciones y ondulaciones de las piezas impresas16.

Los métodos estandarizados de medición de material particulado son muy difíciles de replicar con precisión en lugares de difícil acceso, como entornos que no son de laboratorio en el campo o en cuerpos extraterrestres. Este tipo de mediciones siempre se verán afectadas y desviadas de las mediciones de laboratorio. Sin embargo, la metodología tiene fundamentos fundamentales que deben ser preservados. Estos fundamentos se basan en el software y el hardware de la máquina, como las pautas de movimiento del acero, las galgas extensiométricas, el pesaje de materiales y la evaluación del programa, y no deben cambiarse ni modificarse para mantener la capacidad de comparar los resultados con estas mediciones de laboratorio.

Como se mencionó anteriormente, los polvos simuladores lunares tienen una base terrestre y simulan la mineralogía, la composición química y la distribución del tamaño de las partículas. Sin embargo, debido a la mala simulación de la forma de las partículas y la meteorización, los resultados no pueden utilizarse como información para diseñar equipos de almacenamiento, manejo y procesamiento en otro lugar que no sea el planeta Tierra.

Las primeras mediciones in situ no realizadas en laboratorio y extraterrestres serían indicativas. Sin embargo, las mediciones adicionales brindarán la oportunidad de comparar los resultados medidos, lo que permitirá el diseño y la optimización del proceso y el equipo de manejo en cuerpos extraterrestres. La investigación conduce a las siguientes conclusiones principales:

La hoja que se imprimió en 3D con tecnología FFF no es una copia perfecta. La tecnología de fabricación no tenía una precisión lo suficientemente alta como para producir una curvatura de hoja geométricamente idéntica. La lisura de la superficie no era buena y las capas superficiales de la parte curvada podían verse a simple vista. Como se mencionó anteriormente, el ángulo de la pala se modificó respecto al original. Se realizó una modificación para mantener la carga mecánica durante la medición y para medir una resistencia a la torsión similar. El alisado de la superficie de la pala cambió ligeramente los valores medidos del índice de estabilidad (SI) y el índice de caudal (FRI). Sin embargo, después de dos mediciones iniciales, los valores medidos se estabilizaron y los valores de las pruebas iniciales no se incluyeron en los resultados.

El filamento PLA fue elegido como un filamento barato y fácil de imprimir para la evaluación de instrumentos de medición impresos en 3D, como el diseño, la funcionalidad y la imprimibilidad. Aunque el filamento ASA es más difícil de imprimir y más caro que el PLA, con sus propiedades mecánicas, resistencia a los rayos UV y al color, resistencia a la temperatura y menor densidad que el PLA, lo convirtieron en una excelente opción para la instalación de laboratorio en un entorno más duro. Sin embargo, en entornos extremos, el equipo de proceso debe diseñarse para las propiedades físico-mecánicas reales del material a granel. Por lo tanto, podría ser necesario un mejor material de filamento. Actualmente, los filamentos están hechos de PolyEtherEtherKeton (PEEK), que tiene una relación resistencia-peso comparable al acero inoxidable y propiedades térmicas excepcionales. El material puede soportar ciclos térmicos en cámaras de vacío utilizadas para pruebas de calificación espacial, radiación o desgaste. El material requiere tecnología de impresión de modelado por deposición fundida (FDM) con temperaturas de boquilla de alrededor de 400 °C, y se utiliza en la industria espacial, la aviación, la industria petrolera y aplicaciones de ingeniería mecánica avanzada.

Como se mencionó anteriormente, la prueba de compresibilidad estándar depende en gran medida del corte adecuado del material particulado en el recipiente después del acondicionamiento inicial. La planitud de la superficie depende del método de impresión y puede dar lugar a diferentes valores de compresibilidad si el cizallamiento no se realiza correctamente en el plano. Además, el diámetro del pistón impreso en 3D se modificó en el modelo CAD debido a la contracción para que coincidiera con el diámetro original después de la impresión en 3D.

Las mediciones del índice de caudal (FRI) y del índice de estabilidad (SI) muestran dependencia del material del recipiente y del método de fabricación del recipiente. Sin embargo, solo el flujo de energía básico (BFE) se vio afectado negativamente por el aumento de la energía consumida durante las pruebas. Los resultados de FRI y SI permanecieron estables y repetibles cuando se utilizaron recipientes impresos en 3D y el consumo de energía aumentó durante las pruebas.

Para el instrumento de medición impreso en 3D, se debe usar un material de filamento adecuado para tener suficiente resistencia química para el material a granel que se mide. Además, se debe utilizar un material de filamento adecuado para soportar la carga mecánica durante la medición. Finalmente, el material del filamento debe tener estabilidad UV y de radiación para el entorno en el que se mide el material en partículas.

En resumen, las mayores desventajas de los instrumentos de medición impresos en 3D fueron una tasa de error de medición más alta debido a los errores mecánicos (interferencia de la cuchilla, el cabezal de corte y el pistón ventilado de FT4), desviaciones de medición ligeramente más altas e imperfecciones de fabricación que pueden reducirse con post- procesamiento después de la impresión.

Las mayores ventajas de los instrumentos de medición impresos en 3D fueron el menor peso, la capacidad de preimprimir un juego o imprimir en el lugar, reemplazar una pieza dañada con una nueva pieza impresa en 3D bajo demanda si se necesitan resultados extremadamente rápidos o debido a la indisponibilidad logística, la personalización de las pruebas estandarizadas para comprender mejor el comportamiento de los materiales particulados y el menor costo de fabricación (al menos 30 veces menor en el caso del método de impresión FFF).

En general, este estudio reforzó la idea de que la medición de propiedades físico-mecánicas en lugares donde el peso ligero es esencial, donde se necesitan instrumentos intercambiables para medir valores aproximados y donde un resultado rápido es más importante que un resultado extremadamente preciso. El método de impresión 3D es significativamente más versátil para la construcción de herramientas in situ que los métodos convencionales de mecanizado de acero, etc. Esto nos permite reaccionar rápidamente ante condiciones extremas específicas, que no siempre se pueden predecir con precisión.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Este trabajo fue apoyado por el concurso de becas de doctorado VSB-Universidad Técnica de Ostrava, dentro del Programa Operativo de Investigación, Desarrollo y Educación, en el marco del proyecto "Investigación y desarrollo de equipos innovadores para la calibración y validación de simulaciones DEM de material particulado en el campo de la trituración mecánica". procesos y abrasión" [subvención no. CZ.02.2.69/0.0/0.0/19_073/0016945-DGS/TEAM/2020-003, 2021], y en relación con el proyecto Tecnología de fabricación aditiva e innovadora: nuevas soluciones tecnológicas para la impresión 3D de metales y materiales compuestos, [subvención No. CZ.02.1.01/0.0/0.0/17_049/0008407] financiado por Structural Founds of Europe Union y proyecto SP2019/101 -Research, Science and Development in a Transport -Traffic Simulations, Adhesion Models, Storage Processes.

Centro ENET, Centro de sólidos a granel, VSB-TU Ostrava, 17 de noviembre 15/2172, 708 33, Ostrava-Poruba, República Checa

Jan Divis, Jakub Hlosta, Jan Necas y Jiri Zegzulka

Departamento de Ingeniería y Seguridad Minera, Facultad de Minería y Geología, VSB-TU Ostrava, 17. listopadu 15/2172, 708 33, Ostrava-Poruba, República Checa

Jan Divis, Jakub Hlosta, David Zurovec, Jiri Rozbroj, Jan Necas y Jiri Zegzulka

Departamento de Máquinas y Sistemas Técnicos, Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad de Ciencia y Tecnología de Bydgoszcz, Al. Prof. S. Kaliskiego 7, 85-796, Bydgoszcz, Polonia

Weronika Kruszelnicka

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Conceptualización, DJ y RJ, NJ, ZJ; metodología, DJ, HJ y RJ; análisis formal, HJ, RJ y Ž.D.; investigación, DJ, HJ, RJ, Ž.D., NJ, ZJ; curaduría de datos, DJ y RJ; redacción—preparación del borrador original, DJ, NJ, ZJ y KW; redacción—revisión y edición, DJ, HJ, RJ, NJ, ZJ, KW y Ž.D.; visualización, DJ y HJ; supervisión, NJ, ZJ; administración de proyectos, DJ, NJ, ZJ; adquisición de fondos, DJ, NJ, ZJ

Correspondencia a Jan Divis.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Divis, J., Hlosta, J., Zurovec, D. et al. Equipos de laboratorio impresos en 3D para medir materiales a granel en condiciones extremas. Informe científico 12, 17331 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22114-2

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Recibido: 10 mayo 2022

Aceptado: 10 de octubre de 2022

Publicado: 15 de octubre de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-22114-2

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Equipos de laboratorio impresos en 3D para medir materiales a granel en condiciones extremas