Blog · CIM UPC
La reologia és la disciplina que estudia la deformació i el flux dels materials en resposta a esforços aplicats. En processos de fabricació basats en l’extrusió, com el Direct Ink Writing (DIW), la robocasting o la impressió 3D de morters, el comportament reològic és un factor determinant per garantir l’estabilitat del procés i la qualitat de les peces fabricades.
A diferència d’altres tecnologies de fabricació additiva, la impressió per extrusió requereix materials que combinin propietats aparentment contradictòries: han de fluir de manera controlada quan s’aplica un esforç i, alhora, recuperar suficient consistència i capacitat de suport després de la deposició.
Per aquest motiu, la caracterització reològica constitueix una eina fonamental per al desenvolupament de noves formulacions, l’optimització dels paràmetres de fabricació i l’avaluació de la seva processabilitat.
El comportament reològic dels materials imprimibles
Moltes formulacions utilitzades en impressió 3D, com les pastes ceràmiques, els morters, els hidrogels, les tintes funcionals o les suspensions de partícules, presenten un comportament no newtonià.
Això significa que la seva viscositat no és constant, sinó que pot variar amb la velocitat de cisallament, el temps, la temperatura i l’historial de deformació.
Una propietat especialment interessant és el comportament shear-thinning o pseudoplàstic, pel qual la viscositat aparent disminueix en augmentar la velocitat de cisallament. Aquest fenomen pot facilitar el flux del material a través del sistema d’extrusió, mantenint una consistència més elevada en condicions de baixa deformació.
Tanmateix, la viscositat no és l’únic paràmetre que determina la imprimibilitat. La tensió de fluència, l’evolució estructural i la resposta viscoelàstica també tenen un paper fonamental.
Corbes de flux, viscositat aparent i tensió de fluència
Les corbes de flux reològiques (flow curves) permeten estudiar la relació entre l’esforç de cisallament (τ) i la velocitat de cisallament (γ̇).
A partir d’aquestes mesures es pot determinar la viscositat aparent i, quan el comportament del material ho permet, ajustar models constitutius com el de Herschel–Bulkley:
τ = τ₀ + K·γ̇ⁿ
on:
- τ és l’esforç de cisallament.
- τ₀ és la tensió de fluència (yield stress).
- K és l’índex de consistència.
- n és l’índex de comportament del flux.
En aquest model, valors de n inferiors a 1 indiquen un comportament pseudoplàstic.
La tensió de fluència representa el llindar d’esforç associat a l’inici del flux o a la ruptura de l’estructura del material, segons el procediment experimental utilitzat.
En sistemes estructurats és important diferenciar entre la tensió de fluència estàtica, relacionada amb l’inici de la deformació irreversible després d’un període de repòs, i la tensió de fluència dinàmica, associada al flux d’un material que ja ha experimentat cisallament.
En impressió 3D, aquests paràmetres són especialment rellevants: el material ha de circular pel sistema d’extrusió sense requerir esforços excessius, però també ha de presentar una resistència suficient a la deformació després de la deposició.
Tixotropia i recuperació estructural després de l’extrusió
La tixotropia descriu un comportament dependent del temps en què la viscositat o la resistència estructural del material disminueix sota cisallament i es recupera parcialment o totalment quan aquest esforç es redueix o desapareix.
Aquesta propietat és especialment important en formulacions destinades a fabricació additiva.
Durant l’extrusió, el cisallament pot provocar una reducció de la consistència del material, facilitant-ne el processament. Després de la deposició, la recuperació progressiva de l’estructura pot contribuir a preservar la geometria del cordó i a suportar les capes successives.
La caracterització es pot realitzar mitjançant protocols de cisallament en diverses etapes, incloent-hi períodes de condicionament, destrucció de l’estructura i recuperació.
No obstant això, cal diferenciar la recuperació tixotròpica reversible dels processos irreversibles associats al curat, la hidratació o altres reaccions químiques, especialment en materials de construcció.
Propietats viscoelàstiques: mòduls G’ i G»
Molts materials imprimibles presenten simultàniament una resposta viscosa i elàstica. Aquesta combinació es denomina viscoelasticitat i es pot caracteritzar mitjançant assajos reològics oscil·latoris.
En un assaig oscil·latori de cisallament de petita amplitud (Small-Amplitude Oscillatory Shear, SAOS), s’aplica una deformació periòdica i s’analitza la resposta del material.
Dins del règim viscoelàstic lineal, el mòdul complex es defineix com:
G* = G’ + iG»
on:
- G’ — mòdul d’emmagatzematge (storage modulus): quantifica la component elàstica de la resposta, associada a l’energia emmagatzemada durant la deformació.
- G» — mòdul de pèrdues (loss modulus): quantifica la component viscosa de la resposta, associada a la dissipació d’energia.
La relació entre tots dos mòduls es pot expressar mitjançant el factor de pèrdues:
tan δ = G» / G’
Quan G’ és superior a G», la resposta oscil·latòria és predominantment elàstica a la freqüència i amplitud analitzades. Quan G» és superior a G’, predomina la component viscosa.
Els assajos de barrida d’amplitud (amplitude sweep) permeten estudiar els límits del règim viscoelàstic lineal i els canvis estructurals associats a deformacions creixents.
Els assajos de barrida de freqüència (frequency sweep) permeten analitzar la resposta del material a diferents escales temporals, sempre que la seva estructura es mantingui suficientment estable durant la mesura.
Aquests paràmetres aporten informació sobre la resposta mecànica de les formulacions en estat fresc, però no constitueixen per si sols una mesura directa de la resistència estructural de les peces impreses.
Evolució temporal i temps obert de treball
En moltes formulacions, les propietats reològiques evolucionen després de la preparació.
En materials cimenticis, morters activats alcalinament, resines reactives o sistemes que experimenten gelificació, aquesta evolució pot condicionar la finestra temporal durant la qual el material és processable.
Mitjançant mesures a diferents temps des de la preparació és possible estudiar els canvis en la viscositat, la tensió de fluència o els mòduls viscoelàstics.
Aquest seguiment contribueix a identificar la finestra de processament i a establir criteris de control per a la fabricació.
El temps obert de treball (open time) no és, però, una propietat reològica única ni universal: depèn dels límits acceptables definits per al procés de fabricació concret.
Caracterització reològica de morters per a impressió 3D
En la impressió 3D de morters i altres materials de construcció, el comportament reològic condiciona diferents etapes del procés:
- Bombabilitat (pumpability): capacitat del material per circular pel sistema de transport.
- Extrudabilitat (extrudability): capacitat per sortir de manera estable i contínua a través del broquet.
- Estabilitat geomètrica: capacitat del cordó dipositat per conservar la seva forma.
- Capacitat de construcció (buildability): capacitat de les capes inferiors per suportar el pes de les capes successives.
- Adhesió entre capes: influïda per l’estat superficial, la seva evolució temporal i les condicions de deposició.
L’equilibri entre aquestes propietats és un dels principals reptes en el desenvolupament de formulacions imprimibles.
La caracterització reològica permet quantificar una part important d’aquest comportament, tot i que la validació final de la imprimibilitat també requereix considerar la geometria del broquet, les condicions d’extrusió, la velocitat de deposició i l’evolució de les propietats del material.
Caracterització reològica a CIM UPC
La Fundació Centre CIM (CIM UPC), a Barcelona, disposa d’un laboratori de caracterització reològica equipat amb un reòmetre rotacional Anton Paar MCR 102e, que permet realitzar mesures en rotació i oscil·lació amb diferents configuracions experimentals.
L’equip disposa també d’una cèl·lula BMC 90 per a materials de construcció, concebuda per estudiar el comportament reològic de morters, guixos i altres materials amb partícules.
Aquesta infraestructura permet plantejar estudis de viscositat, corbes de flux, tensió de fluència, tixotropia, recuperació estructural, evolució temporal i caracterització viscoelàstica, segons la compatibilitat de cada formulació amb les geometries i els protocols disponibles.
La selecció del procediment experimental és especialment important en suspensions concentrades i morters, on la granulometria, el lliscament a les parets, la sedimentació o l’evolució temporal poden influir en la interpretació de les mesures.
Combinant la caracterització de materials amb l’experiència de CIM UPC en fabricació additiva i tecnologies d’extrusió, aquests estudis poden contribuir al desenvolupament i l’optimització de formulacions per a impressió 3D i altres processos industrials.
Necessites caracteritzar una formulació? Consulta el nostre servei de reologia per estudiar la viabilitat dels assajos i definir un protocol adaptat al teu material.
Referències científiques
- 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
Per a les especificacions i limitacions de la cèl·lula BMC 90, cal consultar la documentació tècnica del fabricant Anton Paar.