Estudi i anàlisi de l'efecte de les variables d’impressió sobre la precisió dimensional, l'error de forma i la rugositat de pròtesis de maluc fabricades per impressió 3D de PLA

A les pròtesis de maluc, l’acetàbul és el component de forma semiesfèrica que envolta el cap del fèmur. Aquest requereix d’una estructura porosa a l’exterior que en permeti la fixació per osteointegració i d’una superfície interior llisa, i es pot fabricar per impressió 3D. Aquest projecte es realitza en el context d’una investigació que pretén fabricar pròtesis de maluc per impressió 3D de ceràmics. Com que la tecnologia d’impressió 3D mitjançant extrusió de plàstics presenta un major grau de desenvolupament, avui dia, que l’extrusió de materials ceràmics, en aquest projecte s’imprimeixen provetes de plàstic amb la geometria de l’acetàbul, de cassoleta semiesfèrica, per tal d’ajudar a escollir les condicions d’impressió òptimes per obtenir una superfície interior llisa en les futures pròtesis de ceràmica impresa. En aquest treball s’analitza com influeixen cinc variables d’impressió (el diàmetre de broc, la temperatura, l’alçada de capa, la velocitat i el flux de material o flow) sobre la precisió dimensional, l’error de forma i la rugositat superficial de provetes d’acetàbul, i es realitza una optimització multiobjectiu de les tres respostes, que és l’objectiu d’aquest treball. S’ha dut a terme un disseny d’experiments factorial fraccionat en que s’han fabricat 19 provetes d’àcid polilàctic (PLA) amb la impressora BCN3D Sigma R19, que utilitza la tecnologia de fusió de filament fos (FFF). Per tal d’assegurar la impressió adequada de les provetes, aquestes requereixen l’ús d’uns suports a les zones on hi ha voladís. Aquestes provetes s’han fabricat inicialment amb un suport soluble de polivinil alcohol (PVA), però el procés de neteja per ultrasons per extreure el suport ha provocat la seva deformació, per la qual cosa ha calgut tornar a imprimir totes les provetes amb un altre suport del mateix material que la peça, PLA, que no requereix del procés de neteja. Les variables resposta s’han mesurat experimentalment, i s’han obtingut models de regressió per tal d’analitzar cadascuna d’elles. Aquests han permès esbrinar els termes més significatius de cada resposta: en l’error dimensional és la interacció entre temperatura i velocitat, en l’error de forma són el diàmetre de broc i l’alçada de capa, i en la rugositat és l’alçada de capa. Una optimització multiobjectiu mitjançant la funció d’utilitat ha permès trobar el valor òptim dels paràmetres d’impressió amb que es minimitzen les tres respostes alhora, que correspon a diàmetre de broc petit, alçada de capa petita, temperatura baixa, velocitat alta i flow alt. També es demostra que la temperatura i la velocitat òptimes varien si es vol prioritzar minimitzar l’error de forma i la rugositat per sobre la resta. El cost de la matèria primera per realitzar el projecte ha estat de només 93€, i el seu impacte ambiental més directe consisteix en la generació d’1,14 kg de residus de termoplàstic. Els futurs projectes que segueixin aquesta línia d’investigació podrien incorporar indicadors de la resistència mecànica dels acetàbuls, i també estudiar les condicions necessàries per extreure suports solubles per ultrasons sense deformar les peces