Systematic research of physicochemical properties of functional photopolymers for additive manufacturing

La presente tesis doctoral investiga las propiedades físicas de fotopolímeros empleados en estereolitografía láser y funcionalidados en masa y superficie. La funcionalización en masa consiste en la incorporación de nanohilos de cobre, nanohilos de cobre con nanopartículas de cobre, nanohilos de cobre-níquel y óxido de grafeno en diferentes concentraciones y tiempos de post-curado. Los nanorellenos empleados llevan a la obtención de resinas innovadoras, cuya posible fabricación aditiva se valida por primera vez en esta investigación. Una vez que se fabrican los sustratos, las resinas modificadas se comportan de manera similar a los substratos fabricados con resina pura, sin nanorellenos. Adicionalmente, la funcionalización de la superficie se realizó a través de la deposición de titanio y carbono amorfo mediante la técnica de magnetrón sputtering de corriente continua. En consecuencia, en esta investigación se describen los detalles experimentales, los métodos y los materiales utilizados en el diseño y la fabricación de los dispositivos seleccionadas. Asimismo, se presentan los resultados y las discusiones obtenidas del análisis de las propiedades fisicoquímicas de los sustratos fabricados mediante estereolitografía láser, utilizando resina fotosensible pura y con nanorellenos dispersos como agentes de refuerzo (nanohilos de cobre, nanohilos de cobre con nanopartículas de cobre, nanohilos de cobre-níquel y óxido de grafeno); así como la calidad de los recubrimientos depositados (titanio y carbono amorfo). La caracterización morfológica, mecánica, térmica y química se realizó mediante microscopía electrónica de barrido, espectroscopia de energía dispersiva de rayos X, tomografía computarizada, ensayos de tracción, indentación instrumentada, análisis mecánico dinámico, calorimetría diferencial de barrido, análisis termogravimétrico, espectroscopia Raman, espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier, y difracción de rayos X. En este sentido, esta investigación demuestra con éxito los efectos de la dispersión y el uso de rellenos de diferentes tipos, como material de refuerzo en una resina fotopolimerizable comercialmente disponible. Asimismo, se valida la calidad y el aspecto de los recubrimientos depositados sobre la superficie de las muestras, los cuales presentan un color homogéneo y sin delaminaciones. Los resultados morfológicos, mecánicos, térmicos y químicos de los substratos fabricados, capa por capa utilizando un sistema de estereolitografía láser de bajo costo que funciona con un espesor de capa de 100 μm, se examinaron bajo condiciones experimentales y procesos tecnológicos bien controlados. Por lo tanto, se muestra la viabilidad y el potencial que estas combinaciones de fotopolímeros y procesos para funcionalización en masa y superficie podrían tener en un futuro próximo, una vez que se resuelvan los principales desafíos. ----------ABSTRACT---------- This PhD thesis researches the physicochemical properties of photopolymers employed in laser stereolithography focusing on the effects of mass and surface functionalizations. The mass functionalization is based on the incorporation of copper nanowires, copper nanowires with copper nanoparticles, copper-nickel nanowires, and graphene oxide at different concentrations, and times different post-cured. The nanofillers used lead to innovative photopolymeric resins, whose additive manufacturing is validated for the first time in this research. Once the substrates are manufactured, the modified resins perform similarly to the samples manufactured pure resin, without nanofillers. In addition, the surface functionalization was performed through the deposition of titanium and diamond-like-carbon by the direct current sputtering magnetron technique. Accordingly, in this research experimental details, the methods, and materials used in the design and manufacture of the selected specimens are described. Likewise, it presents the results and discussions obtained from the analysis of the physicochemical properties of the substrates manufactured by laser stereolithography, using pure photosensitive resin and with dispersed nanofillers as reinforcing agents (copper nanowires, copper nanowires with copper nanoparticles, copper-nickel nanowires, and graphene oxide); as well as the quality of coatings deposited (titanium and diamond-like-carbon). The morphological, mechanical, thermal and chemical characterization was performed by means of scanning electron microscopy, energy dispersive spectroscopy, computed tomography scan, tensile testing, instrumented indentation, dynamic mechanical analysis, differential scanning calorimetry, thermogravimetric analysis, Raman spectroscopy, Fourier-transformed infrared spectroscopy, and X-ray diffraction. As a result of the characterization studies, this research evidences the effects of dispersion and use of fillers different type, as a reinforcement material in a commercially available photopolymer resin. Likewise, is validate the quality and the aspect of coatings deposited on the surface of the specimens, which presents a homogeneous color and without delamination. The morphological, mechanical, thermal and chemical results of the manufactured specimens, layer by layer approach using a low-cost laser stereolithography system working with a layer thickness of 100 μm, were examined under well-controlled experimental conditions and technological processes. Consequently, the viability and potentials of mass and surface functionalized photopolymers and devices processable through laser stereolithography is presented and discussed, considering the main current challenges