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La reología es la disciplina que estudia la deformación y el flujo de los materiales en respuesta a esfuerzos aplicados. En procesos de fabricación basados en la extrusión, como el Direct Ink Writing (DIW), el robocasting o la impresión 3D de morteros, el comportamiento reológico es un factor determinante para garantizar la estabilidad del proceso y la calidad de las piezas fabricadas.
A diferencia de otras tecnologías de fabricación aditiva, la impresión por extrusión requiere materiales que combinen propiedades aparentemente contradictorias: deben fluir de forma controlada cuando se aplica un esfuerzo y, al mismo tiempo, recuperar suficiente consistencia y capacidad de soporte después de la deposición.
Por este motivo, la caracterización reológica constituye una herramienta fundamental para el desarrollo de nuevas formulaciones, la optimización de los parámetros de fabricación y la evaluación de su procesabilidad.
El comportamiento reológico de los materiales imprimibles
Muchas formulaciones utilizadas en impresión 3D, como las pastas cerámicas, los morteros, los hidrogeles, las tintas funcionales o las suspensiones de partículas, presentan un comportamiento no newtoniano.
Esto significa que su viscosidad no es constante, sino que puede variar con la velocidad de cizalla, el tiempo, la temperatura y el historial de deformación.
Una propiedad especialmente interesante es el comportamiento shear-thinning o pseudoplástico, por el que la viscosidad aparente disminuye al aumentar la velocidad de cizalla. Este fenómeno puede facilitar el flujo del material a través del sistema de extrusión, manteniendo una consistencia más elevada en condiciones de baja deformación.
Sin embargo, la viscosidad no es el único parámetro que determina la imprimibilidad. La tensión de fluencia, la evolución estructural y la respuesta viscoelástica también desempeñan un papel fundamental.
Curvas de flujo, viscosidad aparente y tensión de fluencia
Las curvas de flujo reológicas (flow curves) permiten estudiar la relación entre el esfuerzo de cizalla (τ) y la velocidad de cizalla (γ̇).
A partir de estas mediciones se puede determinar la viscosidad aparente y, cuando el comportamiento del material lo permite, ajustar modelos constitutivos como el de Herschel–Bulkley:
τ = τ₀ + K·γ̇ⁿ
donde:
- τ es el esfuerzo de cizalla.
- τ₀ es la tensión de fluencia (yield stress).
- K es el índice de consistencia.
- n es el índice de comportamiento del flujo.
En este modelo, valores de n inferiores a 1 indican un comportamiento pseudoplástico.
La tensión de fluencia representa el umbral de esfuerzo asociado al inicio del flujo o a la ruptura de la estructura del material, según el procedimiento experimental utilizado.
En sistemas estructurados es importante diferenciar entre la tensión de fluencia estática, relacionada con el inicio de la deformación irreversible después de un periodo de reposo, y la tensión de fluencia dinámica, asociada al flujo de un material que ya ha experimentado cizalla.
En impresión 3D, estos parámetros son especialmente relevantes: el material debe circular por el sistema de extrusión sin requerir esfuerzos excesivos, pero también debe presentar una resistencia suficiente a la deformación después de la deposición.
Tixotropía y recuperación estructural después de la extrusión
La tixotropía describe un comportamiento dependiente del tiempo en el que la viscosidad o la resistencia estructural del material disminuye bajo cizalla y se recupera parcial o totalmente cuando este esfuerzo se reduce o desaparece.
Esta propiedad es especialmente importante en formulaciones destinadas a fabricación aditiva.
Durante la extrusión, la cizalla puede provocar una reducción de la consistencia del material, facilitando su procesamiento. Después de la deposición, la recuperación progresiva de la estructura puede contribuir a preservar la geometría del cordón y a soportar las capas sucesivas.
La caracterización se puede realizar mediante protocolos de cizalla en varias etapas, incluidos periodos de acondicionamiento, destrucción de la estructura y recuperación.
No obstante, hay que diferenciar la recuperación tixotrópica reversible de los procesos irreversibles asociados al curado, la hidratación u otras reacciones químicas, especialmente en materiales de construcción.
Propiedades viscoelásticas: módulos G’ y G»
Muchos materiales imprimibles presentan simultáneamente una respuesta viscosa y elástica. Esta combinación se denomina viscoelasticidad y se puede caracterizar mediante ensayos reológicos oscilatorios.
En un ensayo oscilatorio de cizalla de pequeña amplitud (Small-Amplitude Oscillatory Shear, SAOS), se aplica una deformación periódica y se analiza la respuesta del material.
Dentro del régimen viscoelástico lineal, el módulo complejo se define como:
G* = G’ + iG»
donde:
- G’ — módulo de almacenamiento (storage modulus): cuantifica la componente elástica de la respuesta, asociada a la energía almacenada durante la deformación.
- G» — módulo de pérdidas (loss modulus): cuantifica la componente viscosa de la respuesta, asociada a la disipación de energía.
La relación entre ambos módulos se puede expresar mediante el factor de pérdidas:
tan δ = G» / G’
Cuando G’ es superior a G», la respuesta oscilatoria es predominantemente elástica a la frecuencia y amplitud analizadas. Cuando G» es superior a G’, predomina la componente viscosa.
Los ensayos de barrido de amplitud (amplitude sweep) permiten estudiar los límites del régimen viscoelástico lineal y los cambios estructurales asociados a deformaciones crecientes.
Los ensayos de barrido de frecuencia (frequency sweep) permiten analizar la respuesta del material a diferentes escalas temporales, siempre que su estructura se mantenga suficientemente estable durante la medición.
Estos parámetros aportan información sobre la respuesta mecánica de las formulaciones en estado fresco, pero no constituyen por sí solos una medida directa de la resistencia estructural de las piezas impresas.
Evolución temporal y tiempo abierto de trabajo
En muchas formulaciones, las propiedades reológicas evolucionan después de la preparación.
En materiales cementicios, morteros activados alcalinamente, resinas reactivas o sistemas que experimentan gelificación, esta evolución puede condicionar la ventana temporal durante la cual el material es procesable.
Mediante mediciones a diferentes tiempos desde la preparación es posible estudiar los cambios en la viscosidad, la tensión de fluencia o los módulos viscoelásticos.
Este seguimiento contribuye a identificar la ventana de procesamiento y a establecer criterios de control para la fabricación.
El tiempo abierto de trabajo (open time) no es, sin embargo, una propiedad reológica única ni universal: depende de los límites aceptables definidos para el proceso de fabricación concreto.
Caracterización reológica de morteros para impresión 3D
En la impresión 3D de morteros y otros materiales de construcción, el comportamiento reológico condiciona diferentes etapas del proceso:
- Bombeabilidad (pumpability): capacidad del material para circular por el sistema de transporte.
- Extruibilidad (extrudability): capacidad para salir de forma estable y continua a través de la boquilla.
- Estabilidad geométrica: capacidad del cordón depositado para conservar su forma.
- Capacidad de construcción (buildability): capacidad de las capas inferiores para soportar el peso de las capas sucesivas.
- Adhesión entre capas: influida por el estado superficial, su evolución temporal y las condiciones de deposición.
El equilibrio entre estas propiedades es uno de los principales retos en el desarrollo de formulaciones imprimibles.
La caracterización reológica permite cuantificar una parte importante de este comportamiento, aunque la validación final de la imprimibilidad también requiere considerar la geometría de la boquilla, las condiciones de extrusión, la velocidad de deposición y la evolución de las propiedades del material.
Caracterización reológica en CIM UPC
La Fundació Centre CIM (CIM UPC), en Barcelona, dispone de un laboratorio de caracterización reológica equipado con un reómetro rotacional Anton Paar MCR 102e, que permite realizar mediciones en rotación y oscilación con diferentes configuraciones experimentales.
El equipo dispone también de una célula BMC 90 para materiales de construcción, concebida para estudiar el comportamiento reológico de morteros, yesos y otros materiales con partículas.
Esta infraestructura permite plantear estudios de viscosidad, curvas de flujo, tensión de fluencia, tixotropía, recuperación estructural, evolución temporal y caracterización viscoelástica, según la compatibilidad de cada formulación con las geometrías y los protocolos disponibles.
La selección del procedimiento experimental es especialmente importante en suspensiones concentradas y morteros, donde la granulometría, el deslizamiento en las paredes, la sedimentación o la evolución temporal pueden influir en la interpretación de las mediciones.
Combinando la caracterización de materiales con la experiencia de CIM UPC en fabricación aditiva y tecnologías de extrusión, estos estudios pueden contribuir al desarrollo y la optimización de formulaciones para impresión 3D y otros procesos industriales.
¿Necesitas caracterizar una formulación? Consulta nuestro servicio de reología para estudiar la viabilidad de los ensayos y definir un protocolo adaptado a tu material.
Referencias científicas
- Roussel, N. (2018). Rheological requirements for printable concretes. Cement and Concrete Research, 112, 76–85. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2018.04.005
- Three-dimensional concrete printing technology from a rheology perspective: a review. Advances in Cement Research, 36(12), 567–586 (2024). https://doi.org/10.1680/jadcr.23.00205
Para las especificaciones y limitaciones de la célula BMC 90, hay que consultar la documentación técnica del fabricante Anton Paar.