Maestria M.M. 14 - Villegas Suárez Edmundo Sebastián

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y MECÁNICA
MAESTRÍA EN MECÁNICA, MENCIÓN MANUFACTURA
COHORTE 2019
TEMA:
“PROCESO TECNOLÓGICO PARA LA FABRICACIÓN DE MATERIALES

COMPUESTOS CON MATRIZ POLIMÉRICA Y REFUERZO DE FIBRA DE
VIDRIO PARA SU USO EN FILAMENTO DE IMPRESIÓN 3D”
Trabajo de titulación
Previo a la obtención del Grado Académico de Magíster en Mecánica, Mención

Manufactura
Autor: Ing. Edmundo Sebastián Villegas Suárez

Director: Ing. Segundo Manuel Espín Lagos, Mg
Ambato – Ecuador
2021
i
APROBACIÓN DEL TUTOR
En calidad de tutor del Trabajo de Titulación presentado, previo a la obtención del

título Magister en Mecánica Mención Manufactura. Con el tema: “PROCESO
TECNOLÓGICO PARA LA FABRICACIÓN DE MATERIALES
COMPUESTOS CON MATRIZ POLIMÉRICA Y REFUERZO DE FIBRA DE
VIDRIO PARA SU USO EN FILAMENTO DE IMPRESIÓN 3D”; Elaborado por
el Ing. Edmundo Sebastián Villegas Suárez, con cédula de identidad C.I. 1803727229
Maestrante de la MAESTRÍA EN MECÁNICA, MENCIÓN MANUFACTURA
COHORTE 2019 de la Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica.
Certifico:
- Que el presente Trabajo de Titulación es original de su autor.
- Ha sido revisado cada uno de sus capítulos componentes.
- Está concluido en su totalidad.
Firmado electrónicamente por:
SEGUNDO
MANUEL ESPIN
LAGOS
-------------------------------------------------
Ing. Segundo Manuel Espín Lagos, Mg.
C.I.: 0501500771
TUTOR
ii
AUTORÍA DEL TRABAJO DE TITULACIÓN
La responsabilidad de las opiniones, comentarios y críticas emitidas en el Trabajo de

Titulación presentado con el tema: “PROCESO TECNOLÓGICO PARA LA
FABRICACIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS CON MATRIZ
POLIMÉRICA Y REFUERZO DE FIBRA DE VIDRIO PARA SU USO EN
FILAMENTO DE IMPRESIÓN 3D”; le corresponde exclusivamente al Ing.
Edmundo Sebastián Villegas Suárez, Autor bajo la Dirección del Ing. Segundo Manuel
Espín Lagos Mg., Director del Trabajo de investigación; y el patrimonio intelectual a
la Universidad Técnica de Ambato.

EDMUNDO SEBASTIAN
VILLEGAS SUAREZ
-------------------------------------------------
Ing. Edmundo Sebastián Villegas Suárez
C.I.: 1803727229
AUTOR
SEGUNDO
MANUEL ESPIN
LAGOS
-------------------------------------------------
Ing. Segundo Manuel Espín Lagos, Mg.
C.I.: 0501500771
TUTOR
iii
DERECHOS DEL AUTOR
Autorizo a la Universidad Técnica de Ambato, para que el Trabajo de Investigación,

sirva como un documento disponible para su lectura, consulta y procesos de
Investigación, según las normas de la Institución.
Cedo los Derechos de mi trabajo, con fines de difusión pública, además apruebo la
reproducción de este, dentro de las regulaciones de la Universidad.

EDMUNDO SEBASTIAN
VILLEGAS SUAREZ
-------------------------------------------------
Ing. Edmundo Sebastián Villegas Suárez
C.I.: 1803727229
AUTOR
iv
APROBACIÓN DEL TRIBUNAL DE GRADO
A la Unidad Académica de Titulación de la Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica

El Tribunal receptor del Trabajo de Titulación presidido por el Ingeniero Wilson
Santiago Medina Robalino, Mg., e integrado por los señores: Ing. Jorge Enrique López
Velástegui, Mg., Ing. Francisco Agustín Peña Jordán, Mg., designados por la Unidad
Académica de Titulación de la Universidad Técnica de Ambato, para receptar el
Trabajo de Titulación con el tema: “PROCESO TECNOLÓGICO PARA LA
FABRICACIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS CON MATRIZ POLIMÉRICA
Y REFUERZO DE FIBRA DE VIDRIO PARA SU USO EN FILAMENTO DE
IMPRESIÓN 3D”, elaborado y presentado por el Ing. Edmundo Sebastián Villegas
Suárez, para optar por el Grado Académico de Magíster en Mecánica, Mención
Manufactura; una vez escuchada la defensa oral del Trabajo de Investigación el
Tribunal aprueba y remite el trabajo para uso y custodia en las bibliotecas de la UTA.
WILSON SANTIAGO
MEDINA ROBALINO
Ing. Wilson Santiago Medina Robalino, Mg.

Presidente del Tribunal
JORGE ENRIQUE
LOPEZ
VELASTEGUI
Ing. Jorge Enrique López Velástegui, Mg.

Miembro del Tribunal
FRANCISCO
AGUSTIN PENA
JORDAN
Ing. Francisco Agustín Peña Jordán, Mg.

Miembro del Tribunal
v
DEDICATORIA
El presente trabajo está dedicado a mi familia,

en especial a mi esposa Maricela por su apoyo
incondicional, de igual manera a mi hija Brittany
Ariana; el amor incondicional que me brindan,
forja en mi fuerza y valor para seguir
progresando cada día.
A mis padres por enseñarme la perseverancia y

constancia para conseguir cada uno de mis
objetivos y metas planteadas, con sus valores
inculcados en mí, he logrado alcanzar mis
sueños.
Agradezco a Dios por darme la salud y la vida

para estar con mi familia llenándoles de amor y
cumpliendo cada una de nuestras metas.
A mis Docentes, amigos, compañeros con

quienes he compartido momentos únicos, tanto
en el trabajo como en el aula; gracias por sus
conocimientos y experiencia que me ayudan
cada día a ser mejor.
vi
AGRADECIMIENTO
Un agradecimiento especial a la Universidad

Técnica de Ambato, Facultad de Ingeniería Civil
y Mecánica, a sus Autoridades, personal
Administrativo y cuerpo Docente por ser los
promotores de esta Maestría, de cual soy
participe.
A los laboratorios de la Facultad de Ingeniería

Civil y Mecánica, por la apertura brindada a las
instalaciones para desarrollar la presente
investigación y la ejecución de varios de los
ensayos efectuados.
Al Ingeniero Segundo Espín Subdecano de la

Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica,
director de este proyecto de investigación, por su
valioso apoyo en la dirección y asesoramiento en
el desarrollo del presente trabajo de titulación.
vii
ÍNDICE GENERAL DE CONTENIDOS
PÁGINAS PRELIMINARES
APROBACIÓN DEL TUTOR ..................................................................................... ii
AUTORÍA DEL TRABAJO DE TITULACIÓN ....................................................... iii
DERECHOS DEL AUTOR ........................................................................................ iv
APROBACIÓN DEL TRIBUNAL DE GRADO ........................................................ v
DEDICATORIA ......................................................................................................... vi
AGRADECIMIENTO................................................................................................ vii
ÍNDICE GENERAL DE CONTENIDOS ................................................................. viii
ÍNDICE DE FIGURAS .............................................................................................. xii
ÍNDICE DE TABLAS ............................................................................................... xv
RESUMEN EJECUTIVO ........................................................................................ xvii
ABSTRACT ............................................................................................................ xviii
CAPÍTULO I ................................................................................................................ 1
MARCO TEÓRICO ..................................................................................................... 1
1.1. Antecedentes Investigativos .......................................................................... 1
1.2. Problema ........................................................................................................ 4
1.3. Justificación ................................................................................................... 5
1.4. Objetivos........................................................................................................ 5
1.4.1. General ................................................................................................... 5
1.4.2. Específicos ............................................................................................. 6
1.5. Campo............................................................................................................ 6
1.6. Hipótesis ........................................................................................................ 6
1.7. Señalamiento de variables ............................................................................. 6
1.7.1. Variable Dependiente ............................................................................. 6

viii
1.7.2. Variable Independiente .......................................................................... 6
1.8. Marco teórico................................................................................................. 6
1.8.1. Reciclaje ................................................................................................. 6
1.8.2. Plástico ................................................................................................... 8
6.1.1. Fibras .................................................................................................... 10
6.1.2. Materiales compuestos ......................................................................... 11
6.1.3. Clasificación de los materiales compuestos ......................................... 12
6.1.4. Filamentos para impresoras 3D ............................................................ 13
6.1.5. Extrusión .............................................................................................. 14
6.1.6. Extrusoras............................................................................................. 15
6.1.7. Impresión 3D........................................................................................ 16
CAPÍTULO II ............................................................................................................ 18
METODOLOGÍA ...................................................................................................... 18
2.1. Materiales .................................................................................................... 18
2.1.1. PET reciclado ....................................................................................... 18
2.1.2. Fibra de vidrio ...................................................................................... 18
2.1.3. Máquina trituradora .............................................................................. 20
2.1.4. Máquina pelletizadora de plásticos ...................................................... 22
2.1.5. Molino de bolas .................................................................................... 22
2.1.6. Tamizadora........................................................................................... 23
2.1.7. Balanza ................................................................................................. 24
2.1.8. Extrusora .............................................................................................. 25
2.1.9. Calibrador pie de rey ............................................................................ 27
2.1.10. Impresora 3D .................................................................................... 27
2.2. Metodología .................................................................................................... 29
ix
2.2.1. Nivel o tipo de investigación.................................................................... 29
2.2.2. Método ..................................................................................................... 29
2.2.3. Técnicas de investigación ........................................................................ 30
2.2.4. Instrumentos de investigación .................................................................. 30
2.2.5. Diagnóstico .............................................................................................. 30
2.2.6. Población .................................................................................................. 31
2.2.7. Muestra..................................................................................................... 31
2.2.8. Diseño de experimentos ........................................................................... 31
2.2.9. Operacionalización de Variables.............................................................. 33
2.2.10. Técnicas utilizadas en la observación .................................................... 35
2.2.11. Técnicas e instrumentos documentales .................................................. 35
2.2.12. Procesamiento y Análisis ....................................................................... 35
2.2.13. Procesamiento de la materia prima ........................................................ 37
2.2.14. Implementación del nuevo sistema de extrusión .............................. 42
CAPÍTULO III ........................................................................................................... 52
RESULTADOS Y DISCUSIÓN................................................................................ 52
3.1. Análisis y discusión de resultados................................................................... 52
3.2.3. Resultados del cálculo del volumen de la tolva ....................................... 52
3.2.4. Características del husillo ........................................................................ 53
3.2. Fichas de recolección de datos (diámetros de filamento) ........................... 58
3.3. Verificación de la hipótesis ......................................................................... 64
CAPITULO IV ........................................................................................................... 67
PROPUESTA ............................................................................................................. 67
4.1. Tema................................................................................................................ 67
4.2. Descripción ..................................................................................................... 67
x
4.3. Objetivos ......................................................................................................... 68
4.3.1. General ..................................................................................................... 68
4.3.2. Objetivos específicos ............................................................................... 68
4.4. Desarrollo ........................................................................................................ 69
4.4.1. Proceso de caracterización del material ................................................... 69
4.4.2. Normativa para la evaluación de parámetros de los ensayos ................... 69
4.4.3. Elaboración del ensayo de dureza ............................................................ 73
4.4.4. Elaboración del ensayo de impacto por dardos ....................................... 76
4.3.5. Elaboración del ensayo de tracción .......................................................... 79
4.4.6. Caracterización del material ..................................................................... 82
CAPÍTULO V ............................................................................................................ 85
5.1. CONCLUSIONES .............................................................................................. 85
5.2. RECOMENDACIONES ................................................................................. 86
BIBLIOGRAFÍA........................................................................................................ 87
xi
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Tres R del reciclaje ...................................................................................... 7

Figura 2. Guías de reciclaje ......................................................................................... 7
Figura 3. El plástico .................................................................................................... 8
Figura 4. Formula química del tereftalato de polietileno ............................................ 9
Figura 5. Proceso químico de fabricación del PET ..................................................... 9
Figura 6. Símbolo del PET ........................................................................................ 10
Figura 7. Tipos de fibras ........................................................................................... 11
Figura 8. Aplicaciones de materiales compuestos .................................................... 11
Figura 9. Esquema de extrusión general ................................................................... 14
Figura 10. Máquina Lyman Filament Struder ........................................................... 15
Figura 11. Máquina Filastruder ................................................................................. 16
Figura 12. Máquina FilaBot ...................................................................................... 16
Figura 13. Impresión 3D ........................................................................................... 17
Figura 14. Fibra de vidrio (E) en hilo ........................................................................ 19
Figura 15. Fibra de vidrio en polvo............................................................................ 20
Figura 16. Fibra de vidrio alargada ............................................................................ 20
Figura 17. Trituradora de botellas plásticas Nelmor - Modelo (G1215 M1) ............ 21
Figura 18. Criba para tamizar plástico triturado a un tamaño de 1,5 mm ................. 22
Figura 19. Pelletizadora Bausano ............................................................................... 22
Figura 20. Molino de bolas planetario ....................................................................... 23
Figura 21. Tamizadora Controls .............................................................................. 23
Figura 22. Balanza de precisión ............................................................................... 25
Figura 23. Chasis metálico ........................................................................................ 25
Figura 24. Control automático del motor .................................................................. 26
Figura 25. Boquilla de 2,5 mm .................................................................................. 26
Figura 26. Filastruder Kit .......................................................................................... 27
Figura 27. Calibrador pie de rey ................................................................................ 27
Figura 28. Impresora 3D - Prusa i4 ........................................................................... 28
Figura 29. Flujograma obtención de filamento 3D -1 ................................................ 36
xii
Figura 30. Flujograma obtención de filamento 3D -2 ................................................ 37
Figura 31. PET triturado ........................................................................................... 38
Figura 32. Fibra de vidrio alargada – recortada longitud menor a 2 mm / Fibra de
vidrio en polvo ........................................................................................................... 38
Figura 33. Medidas de tamices utilizados ................................................................. 39
Figura 34. Obstrucción de boquilla con PET sin el proceso de pelletizado ............... 40
Figura 35. Material dañado ........................................................................................ 40
Figura 36. Obstrucción entre barril y tornillo con el PET sin el proceso de pelletizado
.................................................................................................................................... 41
Figura 37. Pellets de PET ........................................................................................... 41
Figura 38. Fibra de vidrio........................................................................................... 42
Figura 39. Parámetros del tornillo de extrusión ........................................................ 43
Figura 40. Modelado del barril................................................................................... 47
Figura 41 Diseño de la tolva ...................................................................................... 47
Figura 42. Dimensiones de la tolva ............................................................................ 48
Figura 43. Base para instalar de la tolva .................................................................... 49
Figura 44. Garganta de alimentación ........................................................................ 50
Figura 45. Rodillos ..................................................................................................... 50
Figura 46. Ventilador de capa 40 x 40 mm ............................................................... 51
Figura 47. Motor NEMA 17 Paso a paso ................................................................... 51
Figura 48. Peso de filamento...................................................................................... 52
Figura 49. Tolva ......................................................................................................... 53
Figura 50. Husillo de extrusión .................................................................................. 53
Figura 51. Fuerzas y reacciones ................................................................................. 54
Figura 52. Análisis estático ........................................................................................ 54
Figura 53. Análisis de desplazamientos ..................................................................... 55
Figura 54. Deformación unitaria ................................................................................ 55
Figura 55. Modelado de garganta de alimentación .................................................... 58
Figura 56. Dardos ....................................................................................................... 70
Figura 57. Dardo FE................................................................................................... 70
Figura 58. Durómetro Shore D................................................................................... 71
Figura 59. Mediciones con durómetro Shore D ......................................................... 71
xiii
Figura 60. Máquina universal .................................................................................... 72
Figura 61. Dimensiones de probeta para tracción ...................................................... 72
Figura 62 Aplicación del ensayo de dureza Shore D ................................................. 74
Figura 63 Ensayo de impacto para probetas de PET con fibra de vidrio en polvo. ... 76
Figura 64. Probetas para el ensayo de impacto del material compuesto de 90% PET +
10% fibra de vidrio en polvo...................................................................................... 77
Figura 65. Resultados del ensayo de impacto en las probetas de material compuesto de
90% PET + 10% fibra de vidrio en polvo .................................................................. 77
Figura 66 Ensayo de resistencia a la tracción de probetas de 90% PET con 10% fibra
de vidrio en polvo....................................................................................................... 79
xiv
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Características entre extrusoras compacta vs industrial ............................... 17

Tabla 2. Datos técnicos del PET .............................................................................. 18
Tabla 3. Propiedades de la fibra de vidrio E .............................................................. 19
Tabla 4. Configuraciones del material compuesto ..................................................... 20
Tabla 5. Características técnicas de la trituradora Nelmor ...................................... 21
Tabla 6. Tabla de tamices estándar ........................................................................... 24
Tabla 7. Características de Impresora Prusa i4 ......................................................... 28
Tabla 8, Recolección de datos – Diámetros obtenidos .............................................. 32
Tabla 9. Variable Independiente ................................................................................ 33
Tabla 10. Variable Dependiente ................................................................................. 34
Tabla 11. Técnicas e instrumentos de observación .................................................... 35
Tabla 12. Instrumentos documentales ........................................................................ 35
Tabla 13. Porcentaje de elementos ............................................................................. 39
Tabla 14. Temperaturas de extrusión del PET en Filastruder ................................... 40
Tabla 15. Longitud de trabajo del tornillo del extrusor ............................................ 43
Tabla 16. Características dl tornillo de la extrusora ................................................... 43
Tabla 17 Tipos de tolvas ........................................................................................... 48
Tabla 18. Aceros comerciales para material de tolva ............................................... 49
Tabla 19. Características del motor NEMA 17 ......................................................... 51
Tabla 20. Ficha de diámetros TIPO A Composición volumétrica 50% PET + 50% Fibra
Tabla 23. Ficha de diámetros TIPO B Composición volumétrica 50% PET + 50% Fibra
de vidrio alargada ....................................................................................................... 61
Tabla 24. Ficha de diámetros TIPO B Composición volumétrica 75%PET + 25% fibra
xv
Tabla 25. Ficha de diámetros TIPO B Composición volumétrica 90%PET + 10% fibra
Tabla 26 Verificación de la hipótesis en los filamentos tipo A conformados de PET +
fibra de vidrio en polvo .............................................................................................. 66
Tabla 27 Verificación de la hipótesis en los filamentos tipo B conformados de PET +
fibra de vidrio alargada .............................................................................................. 66
Tabla 28. Geometrías de dardos ................................................................................ 69
Tabla 29 Cantidad y dimensiones de probetas ........................................................... 73
Tabla 30 Matriz para el análisis de variables ............................................................. 73
Tabla 31 características y propiedades del filamento existente en el mercado. ......... 83
Tabla 32. Características y propiedades del filamento obtenido por extrusión de 90%
PET con 10% fibra de vidrio en polvo. ...................................................................... 83
xvi
RESUMEN EJECUTIVO
El presente trabajo investigativo se enfocó en determinar la mejor configuración de

matriz polimérica de plástico PET reciclado triturado y como refuerzo fibra de vidrio,
para la fabricación de un nuevo material compuesto polimérico destinado a la extrusión
de filamento para impresión en 3D; para el análisis se determinaron varios aspectos
como la factibilidad de extrusión del material compuesto, los diámetros de boquilla de
la extrusora e impresora en 3D, la factibilidad y procesamiento de la materia prima
como es el caso del PET reciclado triturado y posteriormente pelletizado, además de
la fibra de vidrio en diferentes configuraciones y rediseño e implementación de la
máquina extrusora.
Empleando estas consideraciones se analizaron los resultados del diámetro de los

filamentos obtenidos en cada configuración y composición volumétrica, además se
determinó la mejor opción mediante un análisis estadístico de T-student; con el
resultado obtenido del análisis se determinó las propiedades mecánicas del material.
Los resultados de esta investigación presentaron que la configuración óptima con

filamento para la impresión 3D es la de 90 por ciento de PET reciclado más el 10 por
ciento de fibra de vidrio en polvo, y ésta es la más factible para la extrusión del
filamento ya que se acoge al diámetro de la boquilla de la impresora 3D; a su vez se
determinaron las propiedades mecánicas de este nuevo material.
Palabras Clave: Material compuesto, PET reciclado, Filamentos 3D, Impresión 3D,
Extrusora 3D, Fibra de vidrio, Pelletizado, Triturado.
xvii
ABSTRACT
The present research work was focused on determining the best configuration of the
polymeric matrix of recycled PET plastic and glass fiber reinforcement, for the
manufacture of a new polymeric composite material intended for the extrusion of
filament for 3D printing; For the analysis several aspects were determined such as the
feasibility of extrusion of the composite material, the nozzle diameters of the extruder
and 3D printer, the feasibility and processing of the raw material such as shredded
recycled PET and later pelletized, in addition to the fiberglass in different
configurations and redesign and implementation of the extruder machine.
Using these considerations, the results of the diameter of the filaments obtained in each
configuration and volumetric composition were analyzed, and the best option was
determined by means of a T-student statistical analysis; with the result obtained from
the analysis, the mechanical properties of the material were determined.
The results of this research showed that the optimal configuration with filament for 3D
printing is 90 percent recycled PET plus 10 percent glass fiber powder, and this is the
most feasible for the extrusion of the filament since it fits the diameter of the nozzle
of the 3D printer; at the same time, the mechanical properties of this new material were
determined.
Keywords: Composite material, Recycled PET, 3D Filaments, 3D Printing, 3D

Extruder, Fiberglass, Pelletized, Crushed.
xviii
CAPÍTULO I
MARCO TEÓRICO
1.1.Antecedentes Investigativos
En la actualidad la obtención de nuevos materiales y el reciclaje de material polimérico

(plástico) son los temas más tratados y citados en varios ámbitos de la industria; debido
a la innovación, avance tecnológico, creación e investigaciones de nuevos compuestos
y sus diversas aplicaciones. Y, por otro lado, el reciclaje de materiales plásticos que es
un punto muy importante por tomar en cuenta para disminuirlo y así obtener mejoras
en los aspectos ambiental, calidad del aire y protección de nuestro mundo, por ende,
se debe tener presente el cuidado adecuado que se le debe dar al planeta para reducir
la contaminación en nuestro hábitat y diario vivir.
Para empezar con el análisis histórico de procesos de obtención de materiales

compuestos por extrusión; en un estudio realizado en Málaga por Víctor Andueza
habla del diseño, construcción y programación de un extrusor multifilamento para
realizar impresiones 3D en distintos colores. Para el diseño de esta máquina parten de
la necesidad de realizar composiciones de color según diferentes sistemas cromáticos,
para ello el sistema de extrusión de seguir varias solicitaciones como pueden ser
mecánicas, de temperatura y de forma [1].
En el trabajo investigativo se elaboró el diseño e implementación de un mecanismo de

extrusión de filamento polimérico para impresión 3D a partir de PET reciclado a partir
de botellas aplicado al ámbito industrial, dicho estudio se basa en la transformación
del plástico reciclado a filamento como contribución en procesos de construcción.
Para poder reciclar el material polimérico se efectúa un proceso de dos etapas; la
primera corresponde a la trituración de las botellas en trozos pequeños; mientras que
la segunda etapa corresponde a la extrusión del plástico triturado en filamentos de
diámetro de 1,75 mm a través de una boquilla. Las aplicaciones del filamento reciclado
es una contribución a la sociedad con la finalidad de obtener materiales sustentables y
de menor costo para la creación de nuevos elementos con valor agregado [2].
1
Actualmente existen máquinas extrusoras que fabrican filamento, pero trabajan con un
proceso de sobrecalentamiento en el material. Esta máquina es capaz de tratar
materiales termoplásticos disminuyendo su biodegradación, en el estudio también se
analizó el comportamiento por elementos finitos de la máquina diseñada, en especial
parámetros como su comportamiento térmico y variables de diseño de un calefactor de
calentamiento; otra fase del diseño corresponde a la programación de una aplicación
computacional en lenguaje Java para permitir su fácil uso en la mayoría de los sistemas
operativos existentes como índices de desempeño, a partir de los cuales se
desarrollaron nuevas aplicaciones computacionales para la optimización del proceso
en general para su aplicación en todo tipo de materiales poliméricos [3].
El Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales (UNMdP-

CONICET) implemento la fabricación del prototipo de una extrusora tipo pistón para
destinada a la División Polímeros Biomédicos de INTEMA. Dicha máquina permitirá
la producción de filamentos a partir de polímeros para uso médico mediante un proceso
continuo en el que se adiciona material en una tolva que posibilita la producción de
grandes cantidades de filamentos. La extrusora tipo pistón tienen una camisa con
calefacción en donde se genera la presión necesaria para el transporte del material por
una boquilla que se mantiene a la temperatura de plastificación [4].
La implementación de una máquina extrusora Open Hardware de filamento de ácido

poliláctico (PLA) fue realizada para la caracterización de las propiedades del material,
la investigación surgió de la necesidad local relativa al aprovechamiento de residuos
plásticos mediante la tecnología (FFF). La investigación en primera instancia implico
una revisión sistemática de bibliografía realizando filtro a los hallazgos encontrados
en bases de datos, mediante la RBS se seleccionó la extrusora Open Hardware para
luego formular la estructura de descomposición del trabajo, dividiendo la investigación
en componentes estructurales, mecánicos, eléctricos y electrónicos. Se usó porcentajes
de material plástico nuevo y reciclado para observar las propiedades mecánicas y su
eficiencia en procesos i3D. los resultados obtenidos evidenciaron el desarrollo del
conocimiento sobre los procesos de recuperación de materiales i3D por medio de
tecnologías Open Hardware. Además, se logró como resultados el reciclaje del
material y los ensayos mecánicos posibilitar la producción y evaluación del material
2
en forma de filamento. Se imprimieron prototipos con PLA con variación del
porcentaje reciclado[5].
Actualmente existe un uso masivo de plásticos que generan consecuencias negativas

en el medio ambiente, sin embargo, se puede tomar medidas prácticas para reducir su
consumo mediante el reciclaje. Los productos hechos con plástico se han desarrollado
velozmente y en grandes magnitudes. Sumado a que los precios pueden ser inferiores
a otros naturales y el perfeccionamiento de la tecnología, el uso de plástico se ha
incrementado y con ello su impacto [6].
El plástico afecta a la tierra, el agua y el aire, su largo tiempo de degradación provoca
múltiples daños en los ecosistemas, aunque el reciclaje es una buena opción para
disminuir la contaminación por el plástico, la verdad es que ya no es una medida
suficiente, definitivamente tanto el consumo como la producción de plástico se debe
reducir, debido a esto es que se debe buscar opciones de aplicaciones para reutilizar
los envases de plástico [7].
Dentro de los procesos tecnológicos, la manufactura aditiva como la impresión 3D es

un proceso innovador que tiene aplicaciones en todas las áreas como el sector
industrial, medicina, arte y construcción. La impresión en 3D emplea materiales
poliméricos, de esto se deriva un problema ambiental ya que se continúa con el uso
masivo de plásticos, ´por eso, los autores de la investigación proponen el diseño de
una extrusora de filamento que permitirá reciclar el plástico, es decir, que el filamento
estará constituido por material reciclado [8].
Existen diversas aplicaciones que se le dan al plástico reciclado, se produce madera

plástica, materiales compuestos de plástico más fibras naturales, sintéticas.
Actualmente la reutilización de materiales reciclados ha dado un gran aporte a la
construcción en distintos elementos y de ahí es que se tiene necesidad de eliminar el
plástico que contamina el ambiente creando e innovando una tecnología adecuada para
obtener nuevos productos [9].
La factibilidad de la producción de filamento para impresión 3d a partir de botellas

(PET) recicladas, en el cual la propuesta educativa está orientada hacia el reciclaje y
el procesamiento de botellas con el fin de obtener filamento 3D, y así por medio del
3
de este generar consciencia en todos los vinculados a la empresa laboral que se
desarrollan, además de logra minimizar el impacto causado por éste tipo de residuos a
nivel local y distrital y así poder dar paso a nuevos proyectos ecológicos demostrando
la responsabilidad ambiental [10], [11].
En una investigación realizada en el 2017 Carlos Gutiérrez habla acerca de una

máquina extrusora para crear filamento a partir de material plástico en la cual el
objetivo tecnológico consiste en el diseño de esta máquina como alternativa para la
fabricación de filamentos de impresoras 3D utilizando polipropileno obtenido
mediante la trituración de tapas de botellas, esperando lograr disminuir el tiempo de
elaboración, mejorar la calidad y utilizar materiales reciclado. Se realizaron cálculos
para determinar las dimensiones de los componentes de la máquina extrusora como
tornillo sin fin, cilindro, boquilla, tolva, potencia y número de revoluciones del motor.
Posteriormente se utiliza un software especializado para diseñar la extrusora, para su
diseño se consideraron problemas como la resistencia a elevadas temperaturas,
corrosión y tenacidad. Se obtuvo datos de temperatura de extrusión de 170 °C, el
empleo de un motor de 1 hp en condiciones de velocidad de giro de tornillo de 35 rpm;
con estos parámetros se obtuvo una producción de 3,3 kg/h de filamento de 3 mm de
diámetro [12].
1.2.Problema
En el país y en la ciudad se ha visto varios inconvenientes debido a la contaminación

que generan los materiales plásticos, y esto conlleva a que éste genere desperdicios
que no son biodegradables perjudicando a nuestro hábitat ambiental. Además de los
desechos de filamentos que se generan a partir de los diversos trabajos de impresión
3D, todo esto hace que al igual que los envases produzcan demasiado daño al entorno,
es ahí que nace la necesidad y la visión de eliminar estos desechos e investigar acerca
de una posible solución para mitigar en algo este riesgo ambiental y utilizarlo en
aplicaciones que se puedan poner en práctica para contrarrestar el incremento de estos
contaminantes anteriormente mencionados, teniendo como resultado el proceso
óptimo con la maquinaria adecuada para la fabricación de filamento y su utilización
en la impresión 3D.
4
1.3.Justificación
La creación e innovación de nuevos materiales compuestos de matriz polimérica y

refuerzos de materiales naturales o sintéticos a nivel mundial se ha desarrollado en
gran porcentaje; por lo que se ha percibido una gran variedad de estos en diversas
aplicaciones industriales, médicas, entre otras.
La combinación de dos o más materiales permiten la formación de un material

compuesto, estos materiales se complementan entre sí debido a que los componentes
individuales tienen propiedades mecánicas diferentes que en conjunto forman un
material único, la formación de este material abarca un proceso detallado en el que se
debe encontrar la menor combinación posible entre proporciones de la matriz y el
refuerzo con la finalidad de obtener las mejores características necesarias para
aplicaciones industriales. Las propiedades mecánicas y físicas del nuevo material se
determinan bajo distintos ensayos ya que no corresponde únicamente a una suma de
las propiedades de los componentes del material, más bien, es necesario estudiarlo bajo
distintas condiciones de falla.
Los materiales compuestos permiten solucionar problemas de la sociedad con las

mejores propiedades mecánicas, el menor costo y con la mayor versatilidad para
adaptarse a las necesidades del mercado, las propiedades que por lo general se busca
mejorar son la resistencia mecánica, densidad, tenacidad, entre otras. Los nuevos
materiales propuestos deben ser amigables con el ambiente, por lo que se realiza esta
investigación con el fin también de mitigar la contaminación producida esencialmente
de botellas plásticas.
1.4.Objetivos
1.4.1. General
Fabricar materiales compuestos con matriz polimérica y refuerzo de fibra de vidrio

para su uso en filamento de impresión 3D.
5
1.4.2. Específicos
1. Estudiar el proceso más idóneo de la fabricación de filamento para impresión

3D a partir de un material compuesto polimérico.
2. Determinar los parámetros de funcionamiento de una máquina extrusora para
fabricar filamento para impresión 3D, de material compuesto polimérico con
un refuerzo de fibra sintética.
3. Obtener filamento para impresoras 3D partiendo de un material polimérico
reciclado (plástico de botellas) mezclado con un material refuerzo de fibra de
vidrio.
4. Caracterizar las propiedades mecánicas del material compuesto polimérico.
1.5.Campo
Reciclaje de materiales poliméricos y fabricación materiales compuestos.
1.6.Hipótesis
¿La fabricación de nuevos materiales con componentes poliméricos y fibras sintéticas

permitirá innovar su utilización en filamento de impresión 3D?
1.7.Señalamiento de variables
1.7.1. Variable Dependiente
“Obtención de material compuesto polimérico extruido para su utilización en

impresión 3D”.
1.7.2. Variable Independiente
“Tecnología de fabricación de filamentos 3D”.
1.8.Marco teórico
1.8.1. Reciclaje
El plástico se creó a los años de 1859 en Gran Bretaña, donde aparece uno llamado
fibra vulcanizada [13]. El reciclaje es la trasformación de las formas y presentaciones
habituales de los objetos de cartón, papel, lata, vidrio, algunos plásticos y residuos
orgánicos, en materias primas que la industria de manufactura puede utilizar de nuevo.
6
El reciclar es una actividad necesaria para las personas, incluye salubridad y otras
acciones, además es una buena forma de proteger el ambiente.
Figura 1. Tres R del reciclaje [14]
La manera más fácil de aprender a reciclar es aplicar la norma de las tres R: Reducir,
Reutilizar y Reciclar. Reciclar se traduce en ahorro de energía, ahorro de agua potable,
ahorro de materias primas, menor impacto en los ecosistemas y sus recursos naturales,
ahorro de tiempo, dinero y esfuerzo [15].
Lo ideal es que el reciclaje de estos productos se convierta en un hábito y generar

conciencia en las personas de nuestro entorno. Por ello, es esencial la implicación de
todos para darles una segunda vida a este material, tanto en campos industriales,
automotrices, entre otros.
Figura 2. Guías de reciclaje [16]
7
1.8.2. Plástico
Los materiales plásticos se componen de una amplia diversidad de materiales que

individualmente tienen sus propias características y propiedades; estos materiales
poliméricos pueden ser sintéticos o semi sintéticos que se caracterizan por ser
elásticos, flexibles y de fácil moldeabilidad, en términos generales, se pueden dividir
en tres categorías.
Figura 3. El plástico [16]
Termoplásticos son aquellos que al calentarlos cambian de estado sólido a líquido, una
vez líquidos se pueden vertir y moldear, con la disminución de la temperatura el
material inyectado vuelve a endurecerse. Los materiales termoplásticos más
empleados son el polietileno, polipropileno, poliestireno, polimetilmetacrilato,
policloruro de vinilo, politereftelato de etileno, teflón y el nylon. [16]
Termoestables son aquellos que una vez han adquirido una forma al enfriarse y
solidificarse se mantienen en ese estado, por la configuración de sus cadenas rígidas
estos materiales no pueden volver a fundirse. Los termoestables más utilizados, son el
caucho natural vulcanizado, la baquelita, resinas y siliconas. [16]
Los elastómeros tienen una gran elasticidad y capacidad de estiramiento y rebote.

Todos ellos se caracterizan por su ligereza, durabilidad y amplia estabilidad ante la
humedad y los productos químicos, propiedades que, si bien pueden considerarse
cualidades en el ámbito de su producción y su utilización, se tornan desventajas la hora
de su consideración como residuos [15].
8
Las botellas de plástico son recipientes ligeros que son utilizados para la venta de
distintos líquidos ya sean bebidas, lácteos, entre otros. Entre una de las ventajas sobre
el vidrio es que son más económicos y poseen gran versatilidad de formas [17].
El plástico PET o tereftalato de polietileno es un polímero plástico lineal que dispone

un alto grado de cristalinidad y con un comportamiento termoplástico. Las
características que posee son las siguientes [18]:
1. Alta resistencia y tenacidad.

2. Resistentes al desgaste.
3. Resistente a productos químicos.
4. Buenas propiedades dieléctricas.
5. Tienen una baja velocidad de cristalización.
6. Pueden encontrarse en estado amorfo-transparente o cristalino.
Su fórmula se muestra en la figura 4,
Figura 4. Formula química del tereftalato de polietileno [19]
El tereftalato de polietileno resulta de la condensación del etilenglicol y el ácido

tereftálico, el cual asume el papel primario en las fibras y materiales de moldeo [19].
Figura 5. Proceso químico de fabricación del PET [19]
9
El PET o tereftalato de polietileno adquiere una temperatura de transición vítrea baja
(temperatura a la cual el polímero amorfo se ablanda), dando la característica más
destacable de este tipo de polímeros.
Este plástico de alta calidad se identifica con el número 1, o con las siglas PET (Figura
6), y está rodeado de 3 flechas, se lo ubica en el fondo de los envases fabricados con
este material [19].
Figura 6. Símbolo del PET [19]
Entre algunas de las aplicaciones más comunes del PET se tiene: [19]
1. Envases de bebidas, jugos, vinos, bebidas alcohólicas, productos de limpieza,

productos químicos y lubricantes.
2. Contenedores alimenticios, cintas de audio y video, fotografía, aplicaciones

eléctricas, electrónicas, rayos X.
3. Otros usos como tubos, perfiles, marcos, paredes, construcción, piezas inyectadas.
6.1.1. Fibras
Dentro del amplia gama de fibras disponibles en el mercado (Figura 7), existen fibras
artificiales que se obtienen de la transformación química de productos naturales
mediante un proceso de síntesis o polimerización [20].
10
Figura 7. Tipos de fibras [20]
6.1.2. Materiales compuestos
En sí son pocos los materiales que se encuentran constituidos por un solo espécimen,
ya que la mayoría de ellos son composiciones químicas de varios elementos que
permiten obtener como resultado un material compuesto [1].
Figura 8. Aplicaciones de materiales compuestos [21]
Estos materiales son combinaciones de dos o más materiales; las uniones de estos
materiales pueden hacerse mediante procesos químicos o mediante procesos
convencionales, el material final posee mejores propiedades que cada material por sí
solo. Es conveniente que los componentes del material compuesto no se disuelvan ni
se fusionen completamente entre ellos, esto quiere decir que el material debe quedar
11
heterogéneo, como consecuencia de esto, los materiales son anisotrópicos, es decir,
que las propiedades dependen de la orientación del material o de sus refuerzos [22].
La manipulación y resultados obtenidos de los materiales compuestos dependen

mucho de los componentes que son utilizados en su elaboración como la manejabilidad
de las fibras utilizadas, de la calidad de las resinas y el tipo de fibra utilizada, ya sea
natural o sintética [1].
6.1.3. Clasificación de los materiales compuestos
Existen distintos tipos de materiales compuestos, en este caso, se detallan dos tipos:
1. En función del tipo de matriz

2. En función de la forma del refuerzo
En función del tipo de matriz, los materiales pueden ser:
- MCC Materiales compuestos de matriz metálica con alta resistencia y bajo peso
- CMC Materiales compuestos de matriz cerámica, en este tipo de materiales
aumentan las propiedades mecánicas, resistencia y tenacidad, en especial en
rangos de bajas temperaturas.
- PMC Materiales compuestos de matriz polimérica, estos materiales tienen buenas
propiedades mecánicas, resistencia a la corrosión, resistencia a agentes químicos
y pueden moldearse con gran versatilidad.
En función de la forma del refuerzo, los materiales pueden ser:
- Refuerzo de partículas, estos materiales tienen una fase dispersa dura, la

característica de este material es que permiten restringir el movimiento de la
matriz, a su vez, soportan la aplicación de cargas.
- Refuerzos en fibras, tecnológicamente son importantes estos materiales debido a
que tienen mayor resistencia a la fatiga, rigidez variación de las temperaturas y
poseen baja densidad. Tanto el refuerzo como la matriz son ligeros y las
propiedades mecánicas varían en función de la forma y dirección del refuerzo.
- Compuestos estructurales, estos materiales tienen gran versatilidad y se pueden
formar por materiales compuestos, materiales homogéneos y también varían
según la geometría del diseño.
12
Se clasifican los compuestos estructurales en: compuestos laminares, estructuras tipo
sándwich y estructuras no-laminares.
En cuanto a los refuerzos encontramos distintos tipos, tales como: fibras de carbono,
fibras de vidrio, fibras de aramida, fibras naturales [23].
6.1.4. Filamentos para impresoras 3D
Es un elemento que se usa como material de aporte para impresoras 3D, debido a que
es un material con el cual se realizan diferentes aplicaciones geométricas mediante
deposición del material fundido, estos materiales poseen diferentes propiedades
mecánicas en función del tipo de material [24].
6.1.4.1.Filamento PLA
O poliácido láctico es sin duda alguna el material más empleado actualmente en los
filamentos para impresión 3D. Es un material de origen natural su principal materia
prima es el maíz y es biodegradable. Entre sus cualidades destacan el ser un material
reciclable, muy estable y que resulta fácil de imprimir, la temperatura del extrusor debe
estar por los 200 °C, dependiendo de impresora [24].
Como desventaja tiene menor resistencia térmica y mecánica que otros materiales de
impresión 3D. Esto hace que se pueda deformar a partir de temperatura de 60 °C y que
no resulte apto para realizar cortes o perforaciones [24].
6.1.4.2.Filamento ABS
Este material presenta buenas condiciones de robustez, incluso mayores que el PLA,
incluso este material permite procesos mecánicos como el mecanizado, cortes,
perforaciones, y altas resistencias a temperaturas. Para su impresión la cama debe estar
precalentada en un rango de temperatura de 60°C a 80°C, mientras que la temperatura
de extrusión es mayor que la temperatura de extrusión del PLA a unos 235 °C [24].
6.1.4.3.Filamento flexible
Estos materiales se componen de materiales elastómeros que les aportan gran
elasticidad, poseen resistencia a la abrasión, gran durabilidad, propiedades que se
13
mantienen incluso al enfriarse; para la impresión de los filamentos en 3D no se requiere
de una cama caliente [24].
6.1.4.4.Filamento de fibra de carbono
Este material se implementa como material de apoyo en filamentos PLA, ABS, PETG
ya que se adicionan pequeñas partículas de fibra de carbono, esto permite un aumento
de dureza y resistencia; las ventajas de estos materiales es que permiten ajustar los
parámetros de impresión. Existe una gran variedad de filamentos como son PET,
PETG, PETT, de nylon o Poliamida, NylonX, PC, PVA, HIPS, PP, de cera, Glow,
nGen, Conductivo, PLA reforzado, entre otros [24].
6.1.5. Extrusión
Este proceso se emplea para crear objetos de sección transversal definida [25]. Los
materiales poliméricos se calientan hasta que llegan a su punto de fusión mediante una
bomba de fusión. Las fibras extruidas pueden enfriarse mediante varios mecanismos
como es el uso de agua, o en menores diámetros se puede emplear enfriamiento con
aire. La formación del filamento se dirige a un carrete que lo enrolla de manera
continua para ser almacenado posteriormente [26].
Figura 9. Esquema de extrusión general [27]
La extrusión puede ser continua (producción de una pieza indefinidamente) o semi

continua (producción de muchas piezas). Este proceso puede realizarse con el material
frío o caliente. [27]
La extrusión no solamente se basa en materiales de resinas plásticas, sino también en

metales, polímeros, cerámicos, cemento, plastilina y productos alimenticios c
14
6.1.6. Extrusoras
Aunque ya existen equipos extrusores que producen filamentos para impresión 3D

FDM (Modelado por deposición fundida). Las extrusoras e impresión en 3D genera un
problema como los residuos que no se vuelven a utilizar debido a que cada fabricante
comercializa los pellets que deben ser empleados en cada máquina extrusora.
Actualmente Destacan 2 productos comerciales; FilaBot y FilaStruder, ambas
siguiendo los pasos de Hugh Lyman, en papel, ambas máquinas trabajan con reciclado
de impresión 3D, bajo muchas advertencias y pasos previos. [27]
Lyman Filament Struder En el año 2012, una competencia abierta al público general;
la DFC (“Desktop Factory Comptetition”), retó a sus participantes a crear una
máquina, de software y diseño libre a la comunidad, capaz de producir filamento para
las impresoras 3D. Este equipo es de diseño sencillo, y todas sus piezas son
prefabricadas. En Chile, el costo se eleva considerablemente, pues sus componentes,
comunes y económicos en U.S.A., en la realidad nacional presentan costos elevados
por la importación y exclusividad, y algunos de los componentes no pueden ser
encontrados. Si bien la máquina cumple su objetivo, operarla es un oficio y conseguir
buenos resultados es un arte. [27]
Figura 10. Máquina Lyman Filament Struder [28]
La máquina Filastruder (Figura 28), brinda la posibilidad de adquirir el kit completo

para ser ensamblado completamente. Esta máquina es muy básica y el ensamblado es
simple, incluso emplea accesorios básicos como cinta adhesiva.
15
Figura 11. Máquina Filastruder [28]
6.1.6.1.FilaBot
En esta extrusora (Figura 12), se puede regular la temperatura de extrusión y permite
transformar pellets, residuos de impresión a filamentos, a pesar de que los materiales
pueden ser reciclados hasta 3 veces, sigue siendo algo útil para la optimización de los
materiales; otro inconveniente con este equipo es que no permite el reciclaje directo
de los materiales poliméricos puesto que debe ser mezclado con el material virgen
Figura 12. Máquina FilaBot [28]
6.1.7. Impresión 3D
La manufactura aditiva permite la utilización de materiales plásticos, aleaciones

metálicas, materiales de hormigón y muchos otros que pueden ser impresos en 3D,
este proceso permite hacer un prototipo rápido que sirve de gran ayuda visual para la
elaboración de maquetas, ensamblados, y modelos de presentación [29].
16
Figura 13. Impresión 3D [30]
El proceso de impresión en 3D consiste en crear los objetos por capas superpuestas de

abajo hacia arriba. La manifactura aditiva va acompañada del uso de software que
divide el elemento en 3D en capas finas como en el diámetro de salida del filamento.
Una impresora 3D es básicamente una máquina de control numérico (CNC) de tres
ejes y complementado con un extrusor que calienta y presiona el filamento para que
salga en forma de hilo fino [31].
Diferencia entre extrusoras industriales y compactas
En la siguiente Tabla podemos observar las diferencias entre extrusoras existentes en

el mercado, con el objetivo de establecer ventajas y desventajas de dichas máquinas.
Tabla 1. Características entre extrusoras compacta vs industrial
EXTRUSORA EXTRUSORA
CARACTERISTICAS
COMPACTA INDUSTRIAL
Consumo eléctrico Bajo Alto
Espacio utilizado Bajo Alto
Operadores 1 1
Costos de mantenimiento Bajo Alto
Movilidad Fácil Dificultoso
Calidad del filamento Medio Medio-Alto
Capacidad de manejo Sin experiencia Capacitación y experiencia
Fuente: El autor
17
CAPÍTULO II
METODOLOGÍA
2.1.Materiales
Son los medios físicos que se usaron para desarrollar el estudio experimental y el
posterior análisis de datos y resultados.
2.1.1. PET reciclado
Se empleó este material como materia prima, sus propiedades físicas se presentan en
la tabla 2, en donde se describe su gran desempeño, es muy útil, por lo cual se lo
emplea en distintos procesos.
Tabla 2. Datos técnicos del PET [32]
DATOS TÉCNICOS DEL TEREFTALATO DE

POLIETILENO (PET)
PROPIEDADES UNIDAD VALOR
Densidad g/cm³ 1,34 - 1,39
Resistencia a la tensión MPA 59 - 72
Resistencia a la compresión MPA 76 - 128
Resistencia al impacto, izod J/mm 0,01 -0,04
Dureza --- Rockwell M94 - M 101
Dilatación térmica 10⁻⁴/°C 15,2 - 24

Resistencia al calor °C 80 - 120
Resistencia dieléctrica V/mm 13780 - 15750
Constante dieléctrica (60Hz) --- 3,65
Absorción de agua % 0,02
Velocidad de combustión Mn/min Consumo lento
Efecto de luz solar --- Se decolora ligeramente
Calidad de mecanizado --- Excelente
Calidad óptica --- Transparente a opaco
Temperatura de fusión °C 244 - 254
2.1.2. Fibra de vidrio
La fibra de vidrio que se utilizó fue en forma de hilo de tipo E con características
dieléctricas y para uso en refuerzos de composites, la misma (Figura 14), que presenta
las siguientes características:
18
Figura 14. Fibra de vidrio (E) en hilo
Propiedades:
Tabla 3. Propiedades de la fibra de vidrio E
Propiedades físicas
Densidad 2,54 – 2,60 g/cc
Propiedades mecánicas
Sy 521 MPa
Su 1725 MPa
Elongación 4,8%
Módulo de elasticidad 72,4 GPa
Módulo de Poisson 0,2
Propiedades térmicas
Punto de fusión 1725 °C
Punto de ablandamiento 840,6 °C
1. Resistencia mecánica mayor que el acero.

2. Buen aislante térmico incluso con poco espesor.
3. Es naturalmente incombustible y no propaga el fuego.
4. No emite humo ni productos tóxicos.
5. No es sensible a las variaciones de temperatura e higrometría.
6. Puede tener diferentes tamaños y tiene la capacidad de combinarse con muchas
resinas sintéticas y ciertas matrices minerales.
7. Tiene baja conductividad térmica.
19
8. Tiene buena permeabilidad dieléctrica.
Tabla 4. Configuraciones del material compuesto
MATERIAL COMPUESTO
PET+Fibra de
PET+Fibra de
vidrio alargada 2
vidrio en polvo
mm
Fuente: El autor
Figura 15. Fibra de vidrio en polvo
Figura 16. Fibra de vidrio alargada
2.1.3. Máquina trituradora
Para el proceso de trituración de las botellas se empleó una trituradora de tres cuchillas
móviles y dos fijas, las especificaciones se las observa en la tabla 5 y la figura 17. La
trituradora pertenece a la empresa ECOM de la ciudad de Santo Domingo de los
Tsáchilas, posterior a esto se realizó el tamizado de un tamaño 1,5 mm (Figura 16).
20
Tabla 5. Características técnicas de la trituradora Nelmor [19]
PRODUCT FEATURES
Used 12" x 15" Nelmor Granulator Model G1215M1, 20 Hp.
Fly knife, 2 Bed knife, closed rotor
3&16" Screen with bin discharge, with starter, on casters
Currently setup for 460V/3Ph/60Hz (25 Amp)
54" feed height
Approximate dimensions: 52" x 36" x 72"
Weight: 1700 lbs
Figura 17. Trituradora de botellas plásticas Nelmor - Modelo (G1215 M1) [19]
Para obtener el tamaño deseado del material se utilizó la criba de 1,5 mm (Figura 18),
y así poder utilizarlo en el proceso de extrusión y obtención de filamento para
impresoras 3D.
21
Figura 18. Criba para tamizar plástico triturado a un tamaño de 1,5 mm [19]
2.1.4. Máquina pelletizadora de plásticos
Se empleó una máquina pelletizadora (Figura 19), que trabaja con plástico reciclado
de fundas; de marca Bausano modelo MD92-30 PLUS, con dos tornillos de diámetro
92 mm, potencia de 124 KW y un rendimiento de 350 kg por hora; en donde se aplicó
su utilización en partículas de PET de 1,5 mm.
Figura 19. Pelletizadora Bausano
2.1.5. Molino de bolas
Para la obtención de la fibra de vidrio en polvo se empleó un molino de bolas planetario

de marca DECO que consta de cuatro recipientes de acero inoxidable con alta
resistencia a la corrosión, y varias esferas de acero. Esta máquina posee un sistema de
22
control para regular las revoluciones y el tiempo de molienda. El proceso de molienda
de la fibra de vidrio se realizó con unas esferas de mármol para que el material no se
estropee al friccionar acero con acero.
Figura 20. Molino de bolas planetario
2.1.6. Tamizadora
Con la finalidad de obtener partículas muy finas de la fibra se empleó un tamizadora

eléctrica de marca Controls que trabaja con tamices de diámetros de entre 200 mm
hasta 315 mm o de 8 a 12 pulgadas; puede soportar hasta 8 tamices de 200 mm u 8
pulgadas de diámetro o 7 tamices de 300 mm además de la base y la tapa respectiva.
Figura 21. Tamizadora Controls [34]
23
Los tamices que se utilizaron son los de la designación No. 10 para la fibra de vidrio
de alrededor de 2 mm de longitud, en cambio para obtener el polvo del material de
refuerzo se usó el tamiz No. 100.
Tabla 6. Tabla de tamices estándar [34]
2.1.7. Balanza
Para tener el porcentaje de los componentes del material compuesto se utilizó una
balanza de precisión de 0,001 gramos, con la finalidad de tener valores exactos tanto
de PET triturado y fibra de vidrio de las dos configuraciones en polvo y alargada [35].
24
Figura 22. Balanza de precisión [35]
2.1.8. Extrusora
Para el proceso de extrusión se empleó una extrusora Filastruder Kit que consta de un
chasis de aleación de aluminio 6061 con CNC como se observa en la figura 23. El
control del motor es avanzado con un circuito cerrado PWM, la ventaja de trabajar con
este dispositivo es que al usar nuevos polímeros el control puede iniciar la velocidad
lentamente y observar la temperatura actual cambiando a medida que marca los
parámetros para el plástico, figura 24. El cañón es mejorado haciendo más fuerte en
resistencia a la torsión y al mismo tiempo mantener una alimentación suave del pellet,
lo que reduce la tendencia del cañón a sufrir daños por sobrecarga. Las boquillas
pueden ser entre 1,75 y 3 mm dependiendo del uso que se le vaya a dar al filamento
(Figura 25) [36].
Figura 23. Chasis metálico [36]
25
Figura 24. Control automático del motor [36]
Figura 25. Boquilla de 2,5 mm [36]
Las tolerancias de filamentos informadas por el proveedor son las siguientes:
1. ABS: +/- 0.02 mm ( otro caso de +/- 0.01 )

2. PLA: +/- 0,03 mm
3. Nilón: +/- 0.02 mm
4. Policarbonato: +/- 0.04 mm
5. PET - T-glase reciclado: +/- 0,05 mm
6. Acrílico: +/- 0.05 mm
7. Polipropileno: +/- 0.07 mm
Especificaciones Filastruder Kit
1. La velocidad de extrusión típica es de 5 a 8 horas por kilogramo (2,205 libras),

según el diámetro, el material y la temperatura.
2. La temperatura de extrusión está limitada por la potencia del calentador por
seguridad y llega hasta los 260 °C.
3. El tamaño es de 45 x 15 x 10 cm.
26
4. La energía es de 110-240 VCA, 50/60Hz, 60 watts pico, 50 watts promedio, lo
que da como un coste promedio de 10 centavos de dólar por kg extruido.
5. Velocidad de extrusión de 10 rpm
Figura 26. Filastruder Kit [36]
2.1.9. Calibrador pie de rey
Para obtener las medidas necesarias de los filamentos producto del proceso de
extrusión se utilizó un calibrador para tener los resultados requeridos del material para
ser utilizados en la impresión 3D.
Figura 27. Calibrador pie de rey
2.1.10. Impresora 3D
La impresora que se utilizó para obtener las probetas y desarrollar los respectivos
ensayos es de marca Sunhokey modelo PRUSA i4 [40]. En la tabla 12, se muestran
sus características.
27
Figura 28. Impresora 3D - Prusa i4 [40]
Tabla 7. Características de Impresora Prusa i4 [40]
Impresora 3D Prusa i4
Material de estructura: Acrílico, acero y aluminio.

Pantalla: LCD 2004
Cantidad de extrusores: 1 MK8
Diámetro de boquilla 0,4 mm
Velocidad de impresión: 100 mm/s
Tamaño de impresión (x, y, z): 190 x 190 x 210 mm
Precisión de posicionamiento de eje z: 0,02 mm
Precisión de posicionamiento de eje xy: 0,02 mm
Espesor de capa: 0,1 a 0,5 mm
Plataforma de impresión: Cama caliente (aluminio)
Máxima temperatura de cama caliente: 130 °C
Máxima temperatura de extrusor: 280 °C
Diámetro de filamento: 1,75 mm
Conectividad: USB, pantalla LCD, lector SD card
Material de impresión: ABS, PLA, HIPS, TPU, madera, nylon
Sistema operativo: Windows, Mac, Linux
Software de control: Repetier Host, Cura Engine
Formato de archivos: STL, G-code
28
2.2. Metodología
2.2.1. Nivel o tipo de investigación
2.2.1.1. Documental
Se elaboró una investigación de tipo documental bibliográfico debido a que se
analizaron varios antecedentes, algunos de los temas que se consultaron fueron, la
situación actual de las extrusoras empleadas en otras investigaciones, tipo de material
con el que trabajan, ventajas, desventajas, precios y demás características que
conciernen al tema; y así establecer un análisis entre los resultados obtenidos de los
cuales se tomaron aquellos que sean óptimos y mejores para tener nuevas alternativas
de producción con la finalidad de cumplir con el objetivo buscado que es obtener
filamento para impresoras 3D.
2.2.1.2. Experimental
Otra técnica de investigación aplicada fue la experimental, debido a que permitió poner
en marcha la producción una vez que se comprobó que el filamento cumple con las
especificaciones necesarias para realizar impresiones 3D, entre los parámetros que se
tomará en cuenta son diámetros, tolerancias, características mecánicas y físicas del
material, teniendo la posibilidad de corregir los distintos errores y fallos que se generen
a lo largo del presente trabajo.
2.2.2. Método
2.2.2.1. Inductivo
Se aplicó el método inductivo para controlar y observar distintas variables como por
ejemplo los materiales a utilizar, temperaturas, velocidades, cantidad de material, entre
otros; y así medir la influencia de estas variables en la obtención del filamento para
impresión 3D. Este análisis permitió mejorar el proceso de extrusión con la capacidad
de producir filamento de acuerdo con las condiciones de requerimientos, a bajo costo
y con materiales reciclables.
29
2.2.3. Técnicas de investigación
2.2.3.1. Observación científica
Se elaboró una observación detallada del comportamiento del PET y del refuerzo
sintético de fibra de vidrio frente a las condiciones de procesamiento que siguieron
cada uno de estos materiales hasta la obtención del filamento en 3D. Se consideraron
parámetros específicos como el diámetro del filamento obtenido por lo que es una
observación muy específica para determinar la validez de los resultados.
2.2.4. Instrumentos de investigación
2.2.4.1. Fichas de recolección de datos

Para la tabulación de datos se realizó la toma de medidas de los diámetros de los
filamentos resultantes en el proceso de extrusión, buscando la medida adecuada para
poder llevar el producto hacia la impresión 3D teniendo en cuenta el diámetro de la
boquilla donde se alimenta la impresora 3D; todas estas mediciones se registraron en
las fichas de observación, en donde también se registraron los detalles visuales de cada
filamento planteado.
2.2.4.2. Medición del diámetro del filamento

Para la toma de valores de los diferentes diámetros obtenidos en el proceso de
extrusión, se tuvo en cuenta la medida del diámetro exterior del filamento en todas las
configuraciones que se plantearon con diferentes porcentajes, con respecto a los
requerimientos presentados para utilizarlos en impresoras 3D existentes en el mercado.
Dichos valores se los anotó en fichas de recolección de datos realizadas por el autor.
Las mediciones se efectuaron con un calibrador digital para obtener mayor precisión.
2.2.5. Diagnóstico
En la actualidad se han desarrollado varios proyectos acerca de la extrusión de

materiales reciclados para la obtención de filamento, se utilizó materiales tales como
plásticos reciclados en todas las configuraciones y formas; de ahí la amplia gama de
material para impresoras 3D con varios materiales bases, refuerzos, niveles de
temperatura, elementos aditivos para mejorar características mecánicas, aplicaciones
industriales entre otros usos que se le pueda adaptar.
30
2.2.6. Población
En la industria de la impresión 3D y la extrusión se ha encontrado varios procesos,

porcentajes de elementos, distintos tipos de extrusores para la obtención de la materia
prima, la población investigativa que se enfocó el presente trabajo es el proceso de
fabricar filamento para impresión 3D para aplicaciones de ingeniería. Se analizó la
mezcla adecuada y apropiada para que el filamento sea de buena calidad y con costos
bajos en relación con el mercado actual.
2.2.7. Muestra
El tipo de muestra que se valora en este apartado son los ensayos que se realizaron en
un laboratorio, con el objetivo de caracterizar el material extruido, los mismos que
fueron realizados de acuerdo a las normativas aplicables para preparación de probetas,
se analizaron las distintas mezclas de componentes (plástico reciclado en pellets + fibra
de vidrio en polvo), (plástico reciclado en pellets + fibra de vidrio alargada 2 mm); y
así adquirir valores de propiedades y características tanto mecánicas como visuales.
La muestra se determinó mediante el diseño de experimentos, de lo cual se obtiene 6
filamentos diferentes para su respectiva evaluación.
2.2.8. Diseño de experimentos
En la tabla 8, elaborada por el autor se presenta un resumen de las mediciones del

diámetro del filamento obtenido para cada composición volumétrica que se planteó
para la fabricación del material de impresión en 3D. Se observó que existen dos tipos
de composiciones de material, el tipo A corresponde a PET + Fibra de vidrio en polvo,
mientras que el tipo B corresponde a PET + Fibra de vidrio alargada de 2 mm. Para el
tipo de composición A se plantearon 3 composiciones volumétricas distintas como se
aprecia en la Tabla 12, al igual que para el tipo de composición B se plantearon también
3 configuraciones de porcentaje de PET y fibra distintos; de los cuales se realizaron 3
mediciones para cada composición volumétrica en los dos tipos de materiales.
31
Tabla 8, Recolección de datos – Diámetros obtenidos
Identificación del
Tipo de Composición
número de
composición volumétrica
mediciones
A1
50% PET
A2
50% fibra
A3
TIPO A A4
PET + fibra de 75% PET
A5
vidrio en polvo 25% fibra
A6
A7
90% PET
A8
10% fibra
A9
B1
50% PET
B2
50% fibra
B3
TIPO B
B4
PET + fibra de 75% PET
B5
vidrio alargada 25% fibra
B6
2mm
B7
90% PET
B8
10% fibra
B9
Fuente: El autor
32
2.2.9. Operacionalización de Variables
“Tecnología de fabricación de filamentos 3D”
Tabla 9. Variable Independiente
INDICADORES INDICE TECNICAS

CATEGORIAS
Tasa de extrusión Óptimo 700
mm/min
Mínimo 500
mm/min Observación
Parámetros de Óptimo 200 °C Medición

temperatura de extrusión Mínimo 185 °C
Instrumentos y
Extrusión
accesorios
adecuados
Composición %Fibra de vidrio %
volumétrica de PET Avance y
temperatura
Revoluciones del motor Máquina = 10 rpm
Maquinado
Producción
Diseño de elementos Máquinas y
Herramientas
Materiales Tipo de filamento Utilizar software

Selección de elementos
especializados
Tipo de materiales Revisión de

Montaje
literatura
Fuente: El autor
33
“Obtención del material compuesto polimérico extruido para su utilización en
impresión 3D”
Tabla 10. Variable Dependiente
CATEGORIA INDICADORES INDICE TECNICAS
Filamento con fibra Parámetros de

Tipo de componentes
de vidrio en polvo. temperatura de
precalentamiento.
Filamento con fibra

Parámetros de
Geometría Forma de vidrio alargada 2
velocidad.
mm.
Diámetro adecuado Selección de

accesorios
Textura
adecuados.
Liso
Áspero
PET reciclado
Forma de material base Máquinas
herramientas
Compatibilidad Pelletizado
de los Forma de material Herramientas
Fibra en dos
componentes del refuerzo manuales
configuraciones
material
compuesto Porcentaje de Equipos y accesorios
componentes Porcentajes y niveles de medida y pesos.
adecuados
Fuente: El autor
34
2.2.10. Técnicas utilizadas en la observación
Tabla 11. Técnicas e instrumentos de observación
DETALLE TÉCNICA INSTRUMENTOS

Cuaderno y hojas para notas
Fichas de campo
OBSERVACIÓN
Observación científica Documentos de cotejo
Calibrador
Fuente: El autor
2.2.11. Técnicas e instrumentos documentales

Tabla 12. Instrumentos documentales
DETALLE TÉCNICAS E INSTRUMENTOS

Bibliografía, Normas, Catálogos,
Publicaciones, Artículos, Estudios, Fichas y
DOCUMENTALES
especificaciones técnicas, Tabulaciones.
Fuente: El autor
2.2.12. Procesamiento y Análisis
Para el procesamiento de la materia prima se hizo un análisis dividido en dos partes

importantes, la obtención de los pellets de PET reciclado y la extrusión del filamento
en 3D. Con el filamento en 3D se obtuvieron las dimensiones del filamento y las
probetas para la caracterización del material con la proporción correcta.
En las figuras 29 y 30 se muestra el procedimiento que se llevó a cabo para la obtención

del nuevo material y del análisis correspondiente para la selección de la combinación
óptima entre PET y fibra de vidrio mediante un análisis de T-Student, así como
también la caracterización de la misma.
35
Figura 29. Flujograma obtención de filamento 3D -1
36
Figura 30. Flujograma obtención de filamento 3D -2
2.2.13. Procesamiento de la materia prima
El PET reciclado se lo obtuvo a partir de botellas plásticas recolectadas por la empresa

en proyectos de “RECICLAJE PARA TODOS” sin tapas y sin argollas, por medio de
trituración en una máquina Nelmor perteneciente a la empresa ECON de la ciudad de
Santo Domingo. Se utilizó cribas de 1.5, 6, 8, 15 mm; el PET utilizado en el presente
proyecto es el que se consiguió de la criba de 1,5 mm por medio del tamizado
respectivo, luego se procedió a realizar el lavado del PET en varios recipientes con
agua limpia retirando todos los sedimentos existentes. Luego se lo llevó a unas
37
bandejas de lata grandes para secarlas, cada bandeja contenía las diferentes medidas
de PET triturado.
Figura 31. PET triturado
Por otro lado, la fibra de vidrio se la adquirió por medio de proveedores de este
producto que se contactaron en el país; es en forma de hilachas de 15 metros de
longitud de la cual se la procesó en longitudes de 20 cm con varias porciones de fibra;
de las cuales se obtuvo 1.8 kilogramos de fibra en polvo y 2.3 kilogramos de fibra
alargada en medidas de entre 0,5 a 2 milímetros de longitud por medio de tamizado.
La obtención de la fibra en polvo se hizo mediante el molino de bolas en donde se
emplearon bolas de mármol hasta obtener partículas del material como se muestra en
la figura 32.
Figura 32. Fibra de vidrio alargada – recortada longitud menor a 2 mm / Fibra de vidrio en polvo
Luego de obtener fibra de vidrio limpia y con las configuraciones deseadas como
material de refuerzo se utilizó los tamices Número 200 para el polvo y Número 10 para
38
la fibra recortada en longitudes de 2 mm, para la posterior mezcla con el material PET
en forma de pellet.
Figura 33. Medidas de tamices utilizados [34]
Por medio de la utilización de una balanza de precisión de 0,001 y distintos recipientes

se tomó los diferentes pesos y porcentajes tanto del PET reciclado triturado y el
material refuerzo fibra de vidrio en dos configuraciones en polvo y alargada de 2 mm.
Tabla 13. Porcentaje de elementos
PORCENTAJES DE ELEMENTOS
Fibras alargadas Polvo de fibra de vidrio
50% PET 75% PET 90% PET 50% PET 75% PET 90% PET
50% fibra 25% fibra 10% fibra 50% fibra 25% fibra 10% fibra
Fuente: El autor
Con las configuraciones y porcentajes de la tabla 13, se realizó la respectiva mezcla y

se lo llevó a la extrusora; tomando en cuenta las respectivas temperaturas de
precalentamiento y de extrusión descritas en la tabla 14, Cabe comentar que surgieron
39
varios inconvenientes debido a la materia prima PET que se usó; el material resultó
demasiado duro y no se fundió implicando defectos como obstrucciones en la boquilla
extrusora, atascamientos entre el barril (cilindro) y el tornillo como se observa en las
figuras siguientes. Es por esas razones que se decidió pelletizar el PET plástico para
poder extruirlo con buenos resultados.
Tabla 14. Temperaturas de extrusión del PET en Filastruder [41]
TEMPERATURAS DEL
TORNILLO PARA EXTRUSIÓN
Zona trasera 20°C
Zona media 165 °C
Zona frontal 185 °C
Boquilla 185 °C
Tiempo de enfriamiento 6 segundos
Figura 34. Obstrucción de boquilla con PET sin el proceso de pelletizado
Figura 35. Material dañado
40
Figura 36. Obstrucción entre barril y tornillo con el PET sin el proceso de pelletizado
Es por esta razón que se realizó la pelletización del PET plástico, este trabajo se lo
efectuó en una maquina pelletizadora en la ciudad de Ambato, Santa Rosa; obteniendo
el material plástico adecuado para realizar la extrusión del nuevo material compuesto
con sus respectivos porcentajes.
Posterior a ello al mezclar estos elementos con el pellet y la fibra de vidrio el material
se volvió más fácil de extruir.
Figura 37. Pellets de PET
41
Figura 38. Fibra de vidrio
Las mezclas se las realizó desde 0,20 kg como el 50% de cada material, de ese valor
se fue disminuyendo los distintos porcentajes mostrados en la Tabla 13.
2.2.14. Implementación del nuevo sistema de extrusión
Para obtener un filamento adecuado para utilizarlo en la impresora 3D se tuvo que

implementar un sistema de extrusión y así obtener mejores resultados en la producción
del filamento.
Al ya haber adquirido la extrusora Filastruder y no tener la posibilidad de extruir de

una manera eficiente, se tuvo que realizar el cambio de cilindro porta tornillo de
extrusión, debido a que no tiene una holgura adecuada para poder extruir el material
compuesto utilizado. Por lo que según Savgorodny [37] recomienda multiplicar el
diámetro del tornillo (DT) por una constante de entre 0,02 a 0,03, en este caso se tuvo
que utilizar la constante de 0,03 debido a que mientras más fricción haya entre el
material y las paredes del cilindro y menor en las superficies del tornillo el material
será impulsado con mayor efectividad.
La holgura se calcula mediante la ecuación:
𝜆 = (0,03)𝐷𝑇 Ec. (1)
Dónde:
42
𝜆 = 𝐻𝑜𝑙𝑔𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜
𝐷𝑇 = 𝐷𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 ℎ𝑢𝑠𝑖𝑙𝑙𝑜
Longitud de trabajo
La ecuación viene establecida por el valor que va desde 0,6 a 0,9 por la longitud total
del tornillo.
Tabla 15. Longitud de trabajo del tornillo del extrusor [37]
LONGITUD DE TRABAJO DEL TORNILLO

Diámetro pequeño Diámetro grande
0,6 0,9
El tornillo que se presenta en la figura 38, que se usó para el proceso de extrusión será
el mismo que tiene la extrusora, con las siguientes características:
Tabla 16. Características dl tornillo de la extrusora
CARACTERISTICAS DEL TORNILLO

Profundidad del canal 0,005 m
Paso 28 mm
Ángulo de hélice 28°
Longitud de fusión 186,5 mm
Longitud de trabajo 193,5 mm
Número de filetes 14
Revoluciones del tornillo 10 rpm
Cantidad de material
procesado 2758,62 cm³
Fuente: El autor
Figura 39. Parámetros del tornillo de extrusión [37]
43
Presión máxima que ocurre dentro de la extrusora
Para obtener el valor de la presión máxima que se ejerce en el proceso de extrusión se

debe aplicar la ecuación:
6𝜋. 𝐷𝑇. 𝑙. 𝑁. 𝜇 Ec (2)

𝑃𝑚𝑎𝑥 =
𝐻 2 . 𝑡𝑔𝜃
Dónde:
DT = diámetro total del tornillo
l = longitud de trabajo del tornillo
N = número de revoluciones del tornillo
𝜇 = viscosidad efectiva del PET
H = profundidad del canal del tornillo
𝜃= ángulo de hélice del tornillo
Potencia del tornillo
Viene dado por la ecuación:
𝑃𝐹 = 𝑄T ∗ ΔP Ec. (3)
Dónde:
𝑃𝐹 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛 𝑏𝑎𝑠𝑒 𝑎𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 (𝑊)
𝑚3
𝑄𝑇 = 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ( )
𝑠
𝛥𝑃 = Variación de presión (Pa)
44
Para lo cual se construyó dos rodillos que se indican en la figura 44, con una ranura
con el diámetro del filamento (1,75 a 2 mm) medida específica para la boquilla de
ingreso de material de la impresora 3D, además de un ventilador que se expone en la
figura 46, al inicio de estos rodillos. Luego un motor paso a paso como el que se indica
en la figura 47, en el carrete del filamento para que lo hale y se vaya enrollando.
Torque en base a la Potencia Real
El torque es la fuerza necesaria que requiere el motor para ser aplicada al tornillo,
viene dada por la ecuación:
𝑃𝑅 Ec. (4)
𝑇= 𝑁
Potencia del motor
Debido a que se toma en cuenta la extrusión de PET reciclado en forma de pellets se

considera utilizar una velocidad máxima de 15 revoluciones por minuto con el objetivo
de obtener potencias acordes a os motores existentes en el mercado actual.
𝑁. 𝜋. 𝐷𝑇3 Ec. (5)

𝑃𝑚𝑜𝑡 =
𝑓𝑝2
Dónde:
fp = Factor de proporcionalidad
Consideraciones para diseño del tornillo
Como se mencionó anteriormente en tornillo de la extrusora que se va a utilizar es el

mismo, considerando los distintos parámetros a tomar en cuenta que se lo analizará
con un software especializado. En donde se tendrá datos de material, coeficiente de
fricción, cálculo de fuerzas y reacciones, fuerza de comprensión, momento de giro,
momento de inercia, radio de inercia, esbeltez, fuerza axial, tensión tangencial, tensión
normal, cálculo de la flecha de flexión del tornillo, muñón, entre otros.
Parámetros del barril

45
Los datos que se tiene diámetro exterior (De), diámetro interior (Di) y espesor (Ɛ).
Figura 40. Parámetros del barril
𝐷𝑖 = 𝐷𝑇 + 𝜆 Ec. (6)
Espesor del barril
Se parte de análisis anteriores, basado en las presiones que existen en el sistema de

extruido.
Ec. (7)
2𝑃𝑚𝑎𝑥
𝜀𝐵 = 𝑟𝑖 (1 − √ )
𝜎𝑡 − 2𝑃𝑚𝑎𝑥
ƐB = Espesor del barril (m)
ri = radio interno del barril (m)
Pmax = presión interna del barrio (MPa)
𝜎𝑡 = máximo de fluencia del material (cilindro) (MPa)
46
Figura 40. Modelado del barril
Diseño de la tolva
Para diseñar la tolva a utilizar se debe tener en cuenta que la forma debe ser siempre
cónica, y de forma circular o rectangular dependiendo la geometría necesaria como se
presenta en la tabla 17, y de esta forma se tendrá una mejor alimentación hacia el
tornillo de extrusión.
Figura 41 Diseño de la tolva
47
Tolvas según su forma y aplicación
Tabla 17. Tipos de tolvas [37]
TORNILLO
PARAMETROS CIRCULAR RECTANGULAR
CRAMMER
Construcción 5 3 1
Bajo costo 5 3 2
Coeficiente de fricción 4 3 5
Flujo 3 2 5
Volumen 4 5 3
Vibraciones 5 5 1
Precisión de
3 2 5
dosificación
Total 29 23 22
Fuente: El autor
La tolva recomendable para un flujo constante debe ser de forma circular, además
teniendo presente que se la debe diseñar con una alimentación de material para al
menos un tiempo de dos horas de trabajo [37].
𝑚 Ec. (8)
𝑉𝑡 =
𝛿
m = masa del filamento producido en tres horas
δ = densidad PET
Figura 42. Dimensiones de la tolva
48
Selección del material de la tolva
Tabla 18. Aceros comerciales para material de tolva [37]
AISI
PROPIEDADES AISIS 201 AISI 1038 ASTM A36
1010
Bajo costo 2 1 3 5
Resistencia al desgaste 3 5 4 2
Dureza 3 5 1 2
Resistencia a la corrosión 4 5 3 1
Tenacidad 3 1 4 3
Maquinabilidad 3 1 3 5
Total 16 18 18 18
Se debe seleccionar un material adecuado ya que, al tener parámetros de no soportar

altas temperaturas, ni grandes esfuerzos o a la corrosión; debe ser uno compatible con
todas las propiedades necesarias para el fin requerido.
Para obtener las medidas de la tolva en diferentes diámetros se tuvo que rediseñar la
máquina extrusora, teniendo en cuenta la alimentación de la materia prima PET y fibra
de vidrio; la adecuación fue la implementación de la tolva de abastecimiento, la misma
que se la fabricó de un forma circular para tener un mejor flujo constante con respecto
a la aplicación que se va a realizar, el material a fabricar es un ASTM A36 por cumplir
con las necesidades de diseño y por ser un material que se lo encuentra con más
frecuencia en el mercado local y nacional.
Figura 43. Base para instalar de la tolva
49
Garganta de alimentación
Figura 44. Garganta de alimentación [37]
Es la sección por donde el material ingresara al barril, suele tener una longitud de entre
0,9m a 1,5 veces el diámetro interior del cilindro, de esta forma se garantiza que le
material no se obstruya en el proceso realizado.
Los demás parámetros como la boquilla de extrusión, el motor, el sistema eléctrico, el

control de temperatura, niquelinas, termocuplas, ventilación serán las mismas que
posee la maquina base adquirida.
Para el sistema de extrusión de filamento se diseñó en relación con máquinas

industriales existentes en el mercado internacional. Estas máquinas aún no se las puede
tener en el país para trabajos de impresoras 3D; por lo que el filamento solo se lo puede
adquirir por medio de importadores directos con empresas fabricantes del material 3D.
Se construyó dos rodillos para tener la forma circular del filamento, debido a que
presentaba varias imperfecciones e la superficie.
Figura 45. Rodillos
El ventilador que se utilizó es de capa 40 x40 mm, debido a que es pequeño con la
finalidad de enfriar el plástico para que se solidifique al pasar por las ranuras de los
50
rodillos. Pero se debe tener muy en cuenta no utilizarlo en un alto rendimiento ya que
puede ocurrir el fenómeno de cracking.
Figura 46. Ventilador de capa 40 x 40 mm [38]
El motor que va instalado en el carrete es un NEMA 17 paso a paso 3.2 kg/cm.
Tabla 19. Características del motor NEMA 17 [39]
CARACTERÍSTICAS
Tamaño: 42,3 x 48 mm (NEMA 17)
Peso: 350 gramos (13 oz)
Diámetro de eje: 5 mm
Longitud del eje: 25 mm
Pasos por vuelta: 200 (1,8°/paso)
Corriente: 1,2 Amperios por bobinado
Tensión: 4 V
Resistencia: 3,3 Ohm por bobina
Torque: 3,2 kg/cm (44 oz-in)
Inductancia: 2,8 mH por bobina
Figura 47. Motor NEMA 17 Paso a paso [39]
51
CAPÍTULO III
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1. Análisis y discusión de resultados
Para saber cuál es el proceso más idóneo en cuanto a la fabricación del filamento 3D
y su aplicación en la impresión 3D y obtener un material compuesto adecuado para
dicho fin, se recolectó información de varios antecedentes con respecto a la extrusión
de materiales compuestos y poliméricos. En este apartado se analizó el tipo de material
utilizado como materia prima, los procesos o tratamientos realizados en ellos para un
mejor rendimiento, el porcentaje adecuado de elementos que constituyen el material
polimérico, los dos tipos de materiales fabricados, la geometría del filamento
(diámetro) y el acabado superficial del producto obtenido; para ver si cumple o no con
los requerimientos planteados en este proyecto.
3.2.3. Resultados del cálculo del volumen de la tolva
Se diseñó la tolva para un valor de masa de 0,4 kg (mezcla de los dos componentes en
un proceso) con un tiempo de producción de 7 horas totales.
Figura 48. Peso de filamento
𝑚
𝑉𝑇 =
𝛿
4000 𝑔
𝑉𝑇 =
1,45𝑔/𝑐𝑚3
𝑉𝑇 = 2758,62 𝑐𝑚3
52
Tomando un valor redondeado de 2760 𝑐𝑚3 , se tiene una tolva de 2,76 litros de
capacidad.
Figura 49. Tolva
3.2.4. Características del husillo
Diseño en SolidWorks
Figura 50. Husillo de extrusión
En la figura 50, se muestra el modelo del tornillo en ASTM A36.
53
Aplicación de cargas
Figura 51. Fuerzas y reacciones
Análisis estático de Tensiones
Figura 52. Análisis estático
En el análisis estático se obtuvieron buenos resultados puesto que la zona más crítica
se encuentra en color verde y corresponde a un valor de 1,46 MPa un valor muy inferior
al límite elástico; en la figura 52, se observa la distribución del esfuerzo en todo el
elemento.
54
Desplazamiento estático
Figura 53. Análisis de desplazamientos
También se efectuó un análisis de desplazamiento elástico el cual se presenta en la

figura 53, en donde se observa que el mayor desplazamiento se ubica en el extremo
del tornillo y corresponde a un valor de 0,017 mm; este valor también es muy ínfimo
por lo que se puede determinar que el tornillo se mantendrá estable frente a la
aplicación de las cargas.
Deformación unitaria
Figura 54. Deformación unitaria
55
En el programa Solidworks también se verificó la deformación unitaria en el tornillo;
el valor más crítico se encuentra en el color cyan y corresponde a 4,57 MPa como se
observa en la figura 54.
Holgura del barril y husillo
𝜆 = (0,03)𝐷𝑇
𝜆 = (0,03)(17𝑚𝑚)
𝜆 = 0,51𝑚𝑚
Longitud de trabajo
𝐿𝑡 = 0,9(𝐿ℎ)
𝐿𝑡 = 0,9(215 𝑚𝑚)
𝐿𝑡 = 193,5 𝑚𝑚
Presión máxima
6𝜋. (0,017). (0,1935𝑚𝑚). (10𝑟𝑝𝑚). (700)

𝑃𝑚𝑎𝑥 =
(0,005𝑚𝑚)2 . 𝑡𝑔(28°)
𝑃𝑚𝑎𝑥 = 32,652 𝑀𝑝𝑎
Potencia en base al flujo
De los datos de la extrusora se tiene:
𝑄T = 8,55 x10−3 𝑚3 /s
ΔP = 23,07 Mpa
𝑃𝐹 = 𝑄T ∗ ΔP
𝑃𝐹 = (8,55x10−3 )(23070000)
𝑃𝐹 = 197,33 W
56
Torque
𝑃𝑅
𝑇=
𝑁
205
𝑇=
10
𝑇 = 20,5𝑁. 𝑚
PR = 1,04 (PF)
PR = 205 W
Diseño del barril
𝐷𝑖 = 𝐷𝑇 + 𝜆
𝐷𝑖 = 17𝑚𝑚 + 0,51 𝑚𝑚
𝐷𝑖 = 17,51 𝑚𝑚
Espesor del barril
2(32,65)
𝜀𝐵 = 8,755 (1 − √ )
325 − 2(32,65)
𝜀𝐵 = (8,755)(0,4986)
𝜀𝐵 = 0,00436 𝑚
𝜀𝐵 = 4,36 𝑚𝑚
Garganta del barril
D = 26,23 mm
X = 0,7D = (0,7) * (26,23mm) = 18,361 mm
Y = 1,5D = (1,5) * (26,23 mm) = 39,34 mm
57
Figura 55. Modelado de garganta de alimentación
En la figura 55 se muestra el resultado del modelamiento en 3D de la garganta de

alimentación con las dimensiones calculadas.
3.2. Fichas de recolección de datos (diámetros de filamento)
En las siguientes tablas, se recopiló la información de las mediciones del diámetro de

los filamentos obtenidos con cada una de las combinaciones del material compuesto
con el uso de la extrusora adaptada.
FILAMENTO TIPO A: 50% PET + 50% FIBRA DE VIDRIO EN POLVO
Tabla 20. Ficha de diámetros TIPO A Composición volumétrica 50% PET + 50% Fibra de vidrio en polvo
FICHA DE RECOLECCIÓN DE DATOS (DIÁMETRO DE

FILAMENTO)
FECHA: 20/05/2021
ELABORADO POR: Sebastián Villegas
REVISADO POR: Ing. Segundo Espín L.
TIPO DE FILAMENTO: TIPO A
CODIFICACIÓN: A1
COMPOSICIÓN 50% PET + 50% FIBRA DE VIDRIO EN
VOLUMÉTRICA: POLVO
TASA DE EXTRUSIÓN: 520 mm/min
TEMPERARURA: 185 °C
RPM DEL MOTOR: 7 rpm
DIÁMETROS:
MEDIDA A1 (mm) 2,45
MEDIDA A2 (mm) 2,41
MEDIDA A3 (mm) 2,38
Promedio: 2,41
Fotografía:
58
Fuente: El autor

FILAMENTO)
FECHA: 20/05/2021
CODIFICACIÓN: A2
VOLUMÉTRICA: POLVO
TEMPERATURA: 185 °C
RPM DEL MOTOR: 8.5 rpm
DIÁMETROS:
MEDIDA A4 (mm) 2,18
MEDIDA A5 (mm) 2,24
MEDIDA A6 (mm) 2,12
Promedio: 2,18
Fotografía:
Fuente: El autor
59

FILAMENTO)
FECHA: 20/05/2021
CODIFICACIÓN: A3
VOLUMÉTRICA: POLVO
RPM DEL MOTOR: 9,8 rpm
DIÁMETROS:
MEDIDA A7 (mm) 1,3
MEDIDA A8 (mm) 1,61
MEDIDA A9 (mm) 1,54
Promedio: 1,48
Fotografía:
Fuente: El autor
60
FILAMENTO TIPO B: 50% PET + 50% FIBRA DE VIDRIO ALARGADA 2 mm
Tabla 23. Ficha de diámetros TIPO B Composición volumétrica 50% PET + 50% Fibra de vidrio alargada

FILAMENTO)
FECHA: 20/05/2021
TIPO DE FILAMENTO: TIPO B
CODIFICACIÓN: B1
COMPOSICIÓN 50% PET + 50% FIBRA DE VIDRIO
VOLUMÉTRICA: ALARGADA 2 mm
RPM DEL MOTOR: 6 rpm
DIÁMETROS:
MEDIDA B1 (mm) 2,78
MEDIDA B2 (mm) 2,87
MEDIDA B3 (mm) 2,91
Promedio: 2,85
Fotografía:
Fuente: El autor
61
Tabla 24. Ficha de diámetros TIPO B Composición volumétrica 75%PET + 25% fibra de vidrio alargada

FILAMENTO)
FECHA: 20/05/2021
CODIFICACIÓN: B3
DIÁMETROS:
MEDIDA B4 (mm) 2,05
MEDIDA B5 (mm) 2,11
MEDIDA B6 (mm) 2,18
Promedio: 2,11
Fotografía:
Fuente: El autor
62
Tabla 25. Ficha de diámetros TIPO B Composición volumétrica 90%PET + 10% fibra de vidrio alargada

FILAMENTO)
FECHA: 20/05/2021
CODIFICACIÓN: B3
DIÁMETROS:
MEDIDA B7 (mm) 1,61
MEDIDA B8 (mm) 1,74
MEDIDA B9 (mm) 1,68
Promedio: 1,68
Fotografía:
Fuente: El autor
63
3.3. Verificación de la hipótesis
3.3.1. Hipótesis
¿La fabricación de nuevos materiales con componentes poliméricos y fibras sintéticas

permitirá innovar su utilización en filamento de impresión 3D?
3.3.2. Hipótesis nula Ho

La fabricación de nuevos materiales con componentes poliméricos y fibras sintéticas
no se pueden emplear como filamentos para impresión 3D.
𝐻𝑜 = ∅ 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑖𝑙𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 > ∅ 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑜𝑞𝑢𝑖𝑙𝑙𝑎 𝑑𝑒 𝑖𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑒𝑛 3𝐷
3.3.3. Hipótesis alterna Ha

La fabricación de nuevos materiales con componentes poliméricos y fibras sintéticas
sí se pueden emplear como filamentos para impresión 3D.
𝐻𝑜 = ∅ 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑖𝑙𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 < ∅ 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑜𝑞𝑢𝑖𝑙𝑙𝑎 𝑑𝑒 𝑖𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑒𝑛 3𝐷
El diámetro de la boquilla de impresión en 3D es de 1,75 mm.
Nivel de confianza
Se establece el nivel de confianza del 95% para este análisis; es decir:
𝛼 = 0,05
Valor de T crítico
Los grados de libertad se calculan empleando el número de muestra n menos 1 (n-1).
En este caso corresponde al valor de 2, debido a que se efectuará un análisis para cada
una de las configuraciones del material compuesto propuestas y en cada una se
hicieron 3 mediciones, por lo que (3-1) = 2 grados de libertad; a su vez, se empleará la
tabla de t-student de cola izquierda para la zona de rechazo de Ho.
De la siguiente tabla, se obtiene un valor de t (crítico) de -2,92 aplicable para todos los
casos de configuraciones de materiales propuestos.
64
Fuente: Triola, M. (2004)
Valor de T experimental
En el caso de muestras pequeñas se aplica el cálculo del valor de t mediante el uso de
la siguiente fórmula:
𝑥̅ − 𝜇
𝑡𝑒𝑥𝑝 = 𝑠
√𝑛
Donde:
𝑥̅ : 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑠 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠
𝜇: 𝑑𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑜𝑞𝑢𝑖𝑙𝑙𝑎
𝑠: 𝑑𝑒𝑠𝑣𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑡í𝑝𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎
𝑛: 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑠 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠
El resumen de los valores calculados se presenta en las siguientes tablas:
65
Tabla 26 Verificación de la hipótesis en los filamentos tipo A conformados de PET + fibra de vidrio en polvo
50% PET + 50% Fibra 75% PET + 25% Fibra 90% PET + 10% Fibra
de vidrio en polvo de vidrio en polvo de vidrio en polvo
MEDIDA A1 (mm) 2,45 MEDIDA A4 (mm) 2,18 MEDIDA A7 (mm) 1,3
Promedio (mm) 2,413 Promedio: 2,18 Promedio: 1,483
Desviación típica 0,029 Desviación típica 0,049 Desviación típica 0,133
t experimental 39,59 t experimental 15,19 t experimental -3,48
-2,92
t crítico -2,92 t crítico -2,92 t crítico -2,92
Conclusión Conclusión Conclusión
Se acepta Ho Se acepta Ho Se rechaza Ho
Fuente: El autor
Tabla 27 Verificación de la hipótesis en los filamentos tipo B conformados de PET + fibra de vidrio alargada
50% PET + 50% Fibra de 75%PET + 25% fibra de 90%PET + 10% fibra de
vidrio alargada vidrio alargada vidrio alargada
MEDIDA B1 (mm) 2,78 MEDIDA B4 (mm) 2,05 MEDIDA B7 (mm) 1,61
Promedio (mm) 2,853 Promedio (mm) 2,113 Promedio (mm) 1,677
Desviación típica 0,054 Desviación típica 0,053 Desviación típica 0,053
t experimental 35,38 t experimental 11,86 t experimental -2,39
-2,92
t crítico -2,92 t crítico -2,92 t crítico -2,92
Conclusión Conclusión Conclusión
Se acepta Ho Se acepta Ho Se acepta Ho
Fuente: El autor
En la verificación de la hipótesis se indica que para el caso del filamento tipo A

conformado por 90% de PET + 10% de fibra de vidrio en polvo se rechaza la hipótesis
nula que indica que la fabricación de nuevos materiales con componentes poliméricos
y fibras sintéticas no se pueden emplear como filamentos para impresión 3D; y se
acepta la hipótesis alterna que indica que la fabricación de nuevos materiales con
componentes poliméricos y fibras sintéticas sí se pueden emplear como filamentos
para impresión 3D.
En la verificación de la hipótesis para las demás configuraciones de material

compuesto planteadas se acepta la hipótesis nula que indica que la fabricación de
nuevos materiales con componentes poliméricos y fibras sintéticas no se pueden
emplear como filamentos para impresión 3D debido a que los diámetros de los
filamentos no cumplen con los parámetros establecidos.
66
CAPITULO IV
PROPUESTA
4.1. Tema
Caracterización del material compuesto de matriz polimérica de 90% de PET reciclado

y refuerzo de 10% de fibra de vidrio en polvo para su uso en filamento de impresión
3D
4.2. Descripción
En el proceso de extrusión de los filamentos de material compuesto de fibra de vidrio

con material reciclado de botellas plásticas se observaron inconsistencias que influyen
de manera considerable al proceso de extrusión, el material plástico triturado es muy
duro para la máquina extrusora, por lo que se tuvo que pelletizar el plástico y así se
volvió más suave. Por otro lado, la fibra de vidrio en tamaños grandes al momento de
salir por la boquilla de la extrusora es de 3mm de diámetro se obstruía y se quedaba
tapada sin posibilitar la salida del material.
Debido a estos problemas que se presentaron se tomó la decisión de procesar la fibra

de vidrio en forma de polvo y alargada en tamaños no mayores a 2 mm.
Para suprimir esta dificultad se consideró una máquina industrial extrusora de mayor
dimensión que puede facilitar el proceso de extrusión de filamentos de material
compuesto de fibra de vidrio y plástico reciclado. Sin embargo, la adecuación de esta
máquina para obtener los filamentos con las dimensiones requeridas es demasiado alto,
debido a que a la máquina se le debe añadir un variador de frecuencia de 5Hp para
controlar la velocidad de giro del tornillo extrusor, adecuar un sistema de enfriamiento
mediante una tina de agua caliente a temperatura controlada, para lo cual se debería
añadir un sistema de resistencias térmicas con un controlador de temperatura que
permitan controlar la temperatura del agua de la tina. Además, se debe añadir un
carrete de velocidad controlada, el cual enrollará el filamento del material compuesto.
Este sistema de enfriamiento y carrete recolector junto con el variador de frecuencia
permitirá controlar el diámetro del filamento, ya que la boquilla del extrusor posee un
diámetro de 5mm con la cual la extrusora no presenta problemas de obstrucciones de
67
la fibra de vidrio. Por lo tanto, al controlar la velocidad del carrete recolector y la
temperatura de la tina de agua, el filamento de material compuesto se alargará
reduciendo su diámetro al diámetro deseado. Este proceso sería inevitable debido a
que las impresoras 3D están diseñadas para un diámetro de filamento entre 1,75mm.
Se considera este diámetro como el diámetro inicial de cabezal de entrada de la
impresora 3D, esto debido a que el diámetro de la boquilla de la impresora es de
0,6mm, pudiendo variar, sin embargo, a menor diámetro de boquilla el acabado final
de las piezas impresas será de mejor calidad. Debido a que el filamento utilizado lleva
material compuesto no se puede utilizar diámetros muy finos porque la fibra obstruiría
el paso ocasionando así obstrucciones en la boquilla.
Sin embargo, se debe considerar otros aspectos como: al momento que la impresora
3D termina un proceso de impresión, el filamento de fibra de vidrio puede ocasionar
que la boquilla de la impresora se tape ya que la fibra de vidrio no se derrite del mismo
modo que el material reciclado. Además, que puede influir en el acabado de las piezas
cuando los filamentos de fibra queden unidos entre el objeto impreso y el material del
filamento aun dentro de la boquilla de la impresora 3D.
Para evitar los inconvenientes ocasionados por los filamentos de fibra de vidrio se
considera la utilización de fibra molida en forma de polvo y alargada, la cual posee
longitudes máximas de 2mm, evitando de esta manera el tapar la boquilla del extrusor.
En la investigación ejecutada se obtuvo que la mejor configuración se presenta
empleando fibra de vidrio en polvo, por lo que la propuesta se enfoca únicamente en
esta composición.
4.3. Objetivos
4.3.1. General
Caracterizar el material compuesto de matriz polimérica de 90% de PET reciclado y

refuerzo de 10% de fibra de vidrio en polvo para su uso en filamento de impresión 3D
4.3.2. Objetivos específicos
1. Definir la normativa necesaria para evaluar las propiedades del nuevo material
propuesto como filamento de impresión 3D.
68
2. Realizar ensayos basados en normativa vigente de materiales para obtener las
propiedades físicas del nuevo material.
3. Detallar las propiedades físicas y mecánicas del material obtenidas mediante

la evaluación mediante ensayos normados.
4.4. Desarrollo
4.4.1. Proceso de caracterización del material
Para realizar los ensayos para obtener las propiedades físicas y mecánicas del material
es necesario adoptar la normativa que establece los parámetros de realización de los
ensayos para garantizar la confiabilidad de los resultados.
4.4.2. Normativa para la evaluación de parámetros de los ensayos
Norma ASTM D5628 -10
Para realizar este ensayo se emplea la máquina de caída de dardos como se expone en
la figura 56, entre los dardos que se usa son de las geometrías FA, FB, FC, FD y FE
descritas en la tabla 28, en la cual las probetas se ajustan al dardo FE que tiene un peso
de 0,232 kg que fue verificado en una balanza como está en la figura 57, con medidas
de probetas de 58 x 58 mm con alturas de prueba 200, 300, 500, 700 y 1000 mm; dando
como resultado la energía media de fallo requerida para agrietar o romper probetas
planas de plástico rígidas bajo varias condiciones específicas de impacto de un dardo
en caída libre (tup) basado en como mínimo un numero de 5 muestras para tener un
amplio rango de mediciones.
Tabla 28. Geometrías de dardos
Fuente: El autor
69
Figura 56. Dardos
Figura 57. Dardo FE
Procedimiento de ensayo
Se ubica la probeta en la base y con dos pernos mediante ajuste neumático se presiona
a la misma, posterior a esto se coloca el dardo de la designación elegida por normativa
hasta varias alturas dependiendo de la configuración del material de la probeta. Esto
se realiza para las muestras que se han elegido rigiéndose en la norma aplicada. Si es
necesario se puede aplicar más peso adjunto al dardo si fuere el caso, por si no ocurra
fallo en los especímenes ensayados.
Norma ISO 868
El ensayo de dureza Shore D con el instrumento de medición de la figura 58, para

materiales de caucho o plásticos duros se fundamenta en utilizar un durómetro portátil
70
para escalas Shore D, la normativa define que se debe ensayar especímenes no menores
a 3 unidades para tener un rango aceptable de resultados.
Figura 58. Durómetro Shore D
Figura 59. Mediciones con durómetro Shore D
Procedimiento
Para tener datos en la medición de dureza se toma el equipo portátil y se configura para
unidades Shore D, se lo coloca sobre la superficie del material, probeta a analizar y se
presiona hasta que la base del durómetro quede a tope con la superficie ensayada, se
toma el valor y así se procede para tomar 5 muestras. Luego de tener 5 resultados se
realiza un promedio del valor obtenido y éste sería el valor final de dureza.
Norma ASTM D 638
La máquina universal expuesta en la figura 60, es la que se utiliza para ensayar

probetas de tracción, en la cual por normativa se debe ensayar mínimo 3 muestras de
ensayo con un espesor no menor a 3,5 mm. Las probetas se las elabora respecto a la
normativa que se detalla en la figura 61.
71
Figura 60. Máquina universal
Figura 61. Dimensiones de probeta para tracción
72
Procedimiento
Se elabora las probetas de acuerdo con la normativa con las especificaciones y

características requeridas, se ubica las muestras en las muelas de la máquina teniendo
en cuenta la distancia de trabajo, se introduce los datos de longitud, ancho, espesor,
peso y distancia de trabajo en el software especializado. Luego se inicia el proceso de
tracción, en el software arroja como resultado la gráfica de fluencia y ruptura
(diagrama esfuerzo vs. deformación), los datos obtenidos son la carga de resistencia
ultima y rotura en KN y el esfuerzo de la resistencia ultima y rotura en MPA.
Tabla 29 Cantidad y dimensiones de probetas
Número de muestras de Número de muestras

Tipo de ensayo Normativa
acuerdo con la normativa recomendadas
Impacto por Mínimo 5 probetas de 58 *

ASTM D5628-10 5 probetas de 58 * 58mm
dardos 58mm, H/e = 3,5 mm
Dureza de NTE INEN-ISO Mínimo 3 probetas D = 16mm y 3 probetas D = 16mm y H/e =

Shore D 868 H/e = 3.5 mm 3,5 mm
Mínimo 3 probetas / L = 165 mm, 3 probetas / L = 165 mm, H =

Tracción ASTM D638
H = 18 mm, e = 4mm 18 mm, e = 4mm
Fuente: El autor
Tabla 30 Matriz para el análisis de variables
FACTOR 1 FACTOR 2 Plástico reciclado en pellet más fibra de vidrio en polvo
Ensayos Impacto 5
Tracción 3
Dureza 6
Fuente: El autor
4.4.3. Elaboración del ensayo de dureza
Para los ensayos de dureza se utilizaron 3 probetas por cada tipo de composición, de
acuerdo con la medida indicada en la normativa NTE INEN-ISO 868, para lo cual se
realizó 2 ensayos por cada probeta obteniendo así 6 resultados de la composición
propuesta de 90% de PET con 10% de fibra de vidrio en polvo.
73
La numeración de las probetas se lo realizo de la siguiente manera: la primera letra
indica es la P referente a probeta, la segunda letra indica el tipo de ensayo D de dureza,
I de impacto y T de tracción, el tercer número indica el número de probeta y por último
la cuarta letra indica el tipo de composición, siendo A para la composición de PET con
fibra de vidrio en polvo.
Figura 62 Aplicación del ensayo de dureza Shore D
74
CENTRO DE TRANSFERENCIAS Y TECNOLOGÍAS
ENSAYO DUREZA
DATOS INFORMATIVOS
Tipo de estudio: De laboratorio Norma: INEN ISO 868
Identificación Impresión 3D, Material filamento extruido de 90% PET reciclado con
del componente refuerzo de 10% fibra de vidrio en polvo
de estudio:
Solicitado por: Edmundo Sebastián Villegas Suárez Fecha: 12/05/2021
Centro de
Estudio y Laboratorio de Metalografía - FICM
Análisis:
PARÁMETROS
Equipo: Durómetro para Metales
Temperatura
Dureza: Iluminación:
Ambiente:
SHORE D
17.80 ° C Ensayo en gomas Luz Natural
y plásticos duros
MATERIAL POR ENSAYAR:
75
RESULTADOS:
PET RECICLADO CON REFUERZO DE FIBRA DE VIDRIO EN POLVO
DUREZA
Numero de medición
SHORE D
1 86,5
2 85.0
3 85,5
4 85,5
5 86,0
6 84,5
PROMEDIO 85,50
4.4.4. Elaboración del ensayo de impacto por dardos
Para el ensayo de impacto por dardos se realizó 5 probetas, de las cuales se obtuvo 1
resultado. Las dimensiones de las probetas fueron tomadas en base a la normativa
ASTM D5628-10.
Figura 63 Ensayo de impacto para probetas de PET con fibra de vidrio en polvo.
76
Figura 64. Probetas para el ensayo de impacto del material compuesto de 90% PET + 10% fibra de vidrio en
polvo
P-I-01-A P-I-04-A
P-I-02-A P-I-05-A
P-I-03-A
Figura 65. Resultados del ensayo de impacto en las probetas de material compuesto de 90% PET + 10% fibra de
vidrio en polvo
77
CENTRO DE TRANSFERENCIAS Y TECNOLOGÍAS
FICHA DE RECOLECCIÓN DE DATOS
DATOS INFORMATIVOS:
Fecha: 11/05/2021 Ciudad: Ambato
Lugar: Laboratorios de Materiales Campus Huachi

Equipo: Máquina tipo caída de masas de Impacto
Realizado por: Egdo. Cristian Revisado Ing. Byron López

Sánchez por:
Impresión 3D, Material filamento de PET
Tipo de material: reciclado con refuerzo de fibra de vidrio en Orden: 70
polvo
PARÁMETROS DE ENSAYO
Tipo de Medición: Energía Media de Norma: ASTM D5628-10

Impacto (J)
Dimensiones (mm): 58mm x 58mm No. de 5
probetas:
Masa Incremento Altura Energía

CODIFICA Ancho Largo Espesor Criterio de
aplicada de masa media de media de
CIÓN (mm) (mm) (mm) falla
(kg) (kg) fallo (mm) fallo (J)
P-I-01-A 58,15 58,21 4,00 0,232 - 200 0,0455 No falla
P-I-02-A 58,64 58,05 4,00 0,232 - 300 0,0683 No falla
78
P-I-03-A 58,32 58,10 4,00 0,232 - 500 0,1138 Falla
P-I-04-A 58,14 58,18 4,00 0,232 - 700 0,1593 Falla
P-I-05-A 58,11 58,03 4,00 0,232 - 1000 0,2276 Falla
4.3.5. Elaboración del ensayo de tracción
Figura 66 Ensayo de resistencia a la tracción de probetas de 90% PET con 10% fibra de vidrio en polvo.
79
UNIVERSIDAD TECNICA DE AMBATO
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL Y MECÁNCIA
CENTRO DE TRANSFERENCIA DE TECNOLOGÍAS
ENSAYO A TRACCIÓN NORMA ASTM D638

Proceso tecnológico para la fabricación de materiales compuestos con matriz polimérica
OBRA O PROYECTO:
reforzados con fibra de vidrio para uso en filamento de impresión 3D.
ORDEN DE
SOLICITA: Sebastián Villegas Suarez TRABAJO: -
FECHA DE
UBICACIÓN: Ambato EXPEDICIÓN: 14/5/2021
Impresión 3D,
filamento extruido
ID MUESTRA: M1 DESCRIPCIÓN: de PET reciclado con
refuerzo de fibra de
vidrio en polvo
ESPECIFICACIONES DEL ENSAYO
INSTRUMENTO: MAQUINA UNIVERSAL CONTROLS CAPACIDAD 2000 KN
PESO PROBETA: 0,0125kg ANCHO PROBETA: 18 mm
ESPECIFICACION DE
Probeta plástica LONGITUD PROBETA: 165 mm
MATERIAL:
LONGITUD ENTRE
TIPO O GRADO: - 50 mm
MORDAZAS:
TEMPERATURA DEL
17 °C ESPESOR: 4,0 mm
AMBIENTE:
CARGA MAXIMA: 1,22 kN AREA PROBETA: 72 mm2
RESULTADOS:
Diagrama Esfuerzo vs Deformación

25
20
Esfuerzo σ (MPa)
15
10
0
0 0,01 0,02 0,03 0,04
Deformación ε (mm/mm)
RESUMEN
DESCRIPCIÓN CARGA ESFUERZO
LIMITE DE PROPORCIONALIDAD: - -
PUNTO DE FLUENCIA: - -
RESISTENCIA ULTIMA: 1,22 kN 22,58 MPA
80
ROTURA: 0,74 kN 13,79 MPA


OBRA O PROYECTO:
SOLICITA: Sebastián Villegas Suarez ORDEN DE TRABAJO: -
UBICACIÓN: Ambato FECHA DE EXPEDICIÓN: 14/5/2021
Impresión 3D, filamento
extruido de PET reciclado
ID MUESTRA: M2 DESCRIPCIÓN:
con refuerzo de fibra de
vidrio en polvo
PESO PROBETA: 0,0138 kg ANCHO PROBETA: 18 mm
ESPECIFICACION DE
MATERIAL:
LONGITUD ENTRE
MORDAZAS:
TEMPERATURA DEL
AMBIENTE:
CARGA MAXIMA: 1,08 kN AREA PROBETA: 73,8 mm2
RESULTADOS:

25
20
Esfuerzo σ (MPa)
15
10
0
0 0,005 0,01 0,015 0,02
RESUMEN
81

OBRA O PROYECTO:
SOLICITA: Sebastián Villegas Suarez ORDEN DE TRABAJO: -
UBICACIÓN: Ambato FECHA DE EXPEDICIÓN: 14/5/2021
Impresión 3D, filamento
extruido de PET reciclado
ID MUESTRA: M3 DESCRIPCIÓN:
con refuerzo de fibra de
vidrio en polvo
PESO PROBETA: 0,0115 kg ANCHO PROBETA: 18 mm
ESPECIFICACION DE
MATERIAL:
LONGITUD ENTRE
MORDAZAS:
TEMPERATURA DEL
AMBIENTE:
CARGA MAXIMA: 1,58 kN AREA PROBETA: 73,0 mm2
RESULTADOS:

25
20
Esfuerzo σ (MPa)
15
10
0
0 0,005 0,01 0,015 0,02
RESUMEN
4.4.6. Caracterización del material
Comparación con productos existentes en el mercado

82
Tabla 31 características y propiedades del filamento existente en el mercado.
Tabla 32. Características y propiedades del filamento obtenido por extrusión de 90% PET con 10% fibra de
vidrio en polvo.
Propiedad Unidad Valor
Densidad g/cm3 1,45
Esfuerzo en el punto de fluencia MPa 22,27
Resistencia al impacto kJ/m2 0,068
Dureza Shore D Shore D 85,50
Temperatura máxima de servicio. °C 160
Fuente: El autor
El nuevo material propuesto compuesto de PET con fibra de vidrio en polvo tiene una
densidad de 1,45 g/cm3 mediante los ensayos de tracción realizados se obtuvo un
esfuerzo de fluencia de 15,44 MPa, mientras que la resistencia al impacto obtenida por
83
ensayos normados corresponde a 0,068 kJ/m2 la dureza shore D tiene un valor de 85,50
y una temperatura máxima de servicio de 160 °C. Las características del nuevo
material presentan características similares a filamentos de impresión 3D existentes en
el mercado, por lo que sería factible usar el material propuesto en este proceso de
manufactura industrial.
84
CAPÍTULO V
5.1. CONCLUSIONES
Para la fabricación del filamento para impresión en 3D se analizaron varias opciones

de procesamiento de la materia prima, se determinó que el PET reciclado debe ser
pelletizado para poder facilitar el proceso de extrusión, así como el procesamiento de
la fibra de vidrio que fue recortada en tramos de 2 mm y procesada en polvo;
finalmente se determinó que la fibra de vidrio en polvo rinde mejores resultados para
la creación del filamento.
Los parámetros de funcionamiento de la extrusora se basan en la adaptación que se

hizo para modificar su funcionamiento para la inclusión de la fibra de vidrio, se adaptó
la tolva que actualmente tiene una capacidad de 2,76 litros, el tornillo que de igual
manera fue modificado funciona a una presión de 32 MPa y con un torque de 20,5
N.m; la temperatura de extrusión es de 160 °C.
Se plantearon varias opciones de la materia prima para la creación del filamento

empleando fibra de vidrio de 2 mm de longitud y fibra de vidrio en polvo con diferentes
composiciones de mezcla; se determinó que la configuración óptima es de 90% de PET
reciclado con 10% de fibra de vidrio en polvo debido a que bajo esas condiciones
cumple con los parámetros requeridos para la extrusión como es el diámetro de 1,75
mm.
Las propiedades mecánicas del material propuesto son factibles para la creación de
elementos impresos en 3D, la temperatura de procesamiento es de 160°C, 1,45 g/cm3
de densidad; esfuerzo de fluencia de 15,44 MPa, resistencia al impacto de 0,068 kJ/m2
y
dureza shore D de 85,50.
Para la creación de fibra de vidrio en polvo se requiere emplear un molino con bolas
de mármol para evitar el daño del material.
85
5.2. RECOMENDACIONES
Para la creación de fibra de vidrio en polvo se requiere emplear un molino con bolas
de mármol para evitar el daño del material.
Es necesario realizar una correcta configuración del extrusor en base a las

temperaturas, además de un ajuste en las revoluciones del motor para obtener
resultados confiables y aceptables del filamento óptimo para la impresión 3D.
Para obtener una producción masiva se debe adecuar una máquina extrusora industrial
con todas las adaptaciones necesarias con los accesorios respectivos, como un canal
de agua para el enfriamiento, un carrete para halar y enrollar el filamento con la
finalidad de obtener el diámetro necesario dependiendo de la velocidad de dicho
carrete, control automático de temperaturas con varias niquelinas para tener un
calentamiento en la mayor parte del cañón extrusor.
En base a la presente investigación se debería analizar la aplicación del material

compuesto resultante en la industria.
Se debe realizar estudios y análisis de factibilidad económica para la implementación

de maquinaria productora de filamentos para impresión 3D dentro la ciudad y del país.
86
BIBLIOGRAFÍA
[1] V. A. García and J. Manuel Gómez De Gabriel, EXTRUSIÓN

MULTIFILAMENTO PARA IMPRESIÓN 3D EN COLOR. 2014.
[2] “(No Title).” http://red.uao.edu.co:8080/bitstream/10614/11024/5/T08590.pdf
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https://conferences.eagora.org/index.php/tecnoysoc/tech2019/paper/view/6883
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[6] “Plástico en el mundo: la invasión ya ha comenzado.”
https://nikkenlatam.com/enews/noticia/?id=4844 (accessed Jul. 04, 2020).
[7] “CÓMO AFECTA EL PLÁSTICO AL MEDIO AMBIENTE.”
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https://repositorio.usm.cl/bitstream/handle/11673/40932/3560902038562UTF
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[9] “La moda incorpora plástico PET reciclado para confeccionar ropa.”
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reciclado-confeccionar-ropa.html (accessed Nov. 17, 2019).
[10] “Estudio de factibilidad de la producción de filamento para la impresión 3D, a
partir de botellas (PET) recicladas en Uniempresarial.”
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87
[11] G. Santiago and P. León, “Study of feasibility for the production of filament for
3D printing from PET bottles recycled in Uniempresarial,” 2019. Accessed: Jul.
18, 2020. [Online]. Available:
https://bibliotecadigital.ccb.org.co/handle/11520/23893.
[12] F. DE Mecánica and L. Enrique Vargas Ayala, “ESCUELA SUPERIOR
POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO ‘DISEÑO Y FABRICACIÓN DE UNA
MÁQUINA EXTRUSORA PARA CREAR EL FILAMENTO DE LA
IMPRESORA 3D A PARTIR DE MATERIAL PLÁSTICO’ CARLOS
ANDRÉS GUTIÉRREZ PAREDES,” Escuela Superior Politécnica de
Chimborazo, Nov. 2017. Accessed: Jul. 18, 2020. [Online]. Available:
http://dspace.espoch.edu.ec/handle/123456789/7922.
[13] “Reciclado de Plásticos ¿Cómo se Reciclan?”
https://www.ecoticias.com/residuos-reciclaje/21178/Reciclado-de-Plasticos-
Como-se-Reciclan (accessed Jul. 04, 2020).
[14] “Reducir, reutilizar y reciclar: descubre las claves de un mundo más sostenible
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[35] “Balanza de precisión 100g/0.001g, serie 5063 - Material de Laboratorio.”
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001g-serie-5063/ (accessed May 30, 2021).
[36] “Kit Filastruder.” https://www.filastruder.com/products/filastruder-
kit?variant=323882043 (accessed May 27, 2021).
[37] “(2) (PDF) Kupdf.com transformacion de plasticos vk savgorodny | Mohammed
Madani - Academia.edu.”
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os_vk_savgorodny (accessed May 28, 2021).
[38] “El ventilador de capa en impresión 3D - Bitfab.”
https://bitfab.io/es/blog/ventilador-de-capa/ (accessed May 27, 2021).
[39] “Motor paso a paso NEMA 17 / 3.2Kg/cm Pololu 1200 | BricoGeek.com.”
https://tienda.bricogeek.com/motores-paso-a-paso/546-motor-paso-a-paso-
nema-17-32kg-cm.html (accessed May 27, 2021).
[40] “Prusa I4 – Sunhokey – Impresoras 3d.”
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[41] “Propiedades térmicas y mecánicas del PET reciclado y sus mezclas.”
https://www.plastico.com/temas/Propiedades-termicas-y-mecanicas-del-PET-
reciclado-y-sus-mezclas+3056093 (accessed May 31, 2021).
90
ANEXOS
91
ENSAYOS REALIZADOS
92
93
94
95
96
97
98
99
100
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NORMAS
107
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110
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126
127
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131
132
PLANOS
133
134
135

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UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y MECÁNICA

MAESTRÍA EN MECÁNICA, MENCIÓN MANUFACTURA

“PROCESO TECNOLÓGICO PARA LA FABRICACIÓN DE MATERIALES

Previo a la obtención del Grado Académico de Magíster en Mecánica, Mención

Autor: Ing. Edmundo Sebastián Villegas Suárez

En calidad de tutor del Trabajo de Titulación presentado, previo a la obtención del

- Que el presente Trabajo de Titulación es original de su autor.

- Ha sido revisado cada uno de sus capítulos componentes.

- Está concluido en su totalidad.

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La responsabilidad de las opiniones, comentarios y críticas emitidas en el Trabajo de

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Autorizo a la Universidad Técnica de Ambato, para que el Trabajo de Investigación,

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A la Unidad Académica de Titulación de la Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica

Firmado electrónicamente por:

Ing. Wilson Santiago Medina Robalino, Mg.

Firmado electrónicamente por:

Ing. Jorge Enrique López Velástegui, Mg.

Firmado electrónicamente por:

Ing. Francisco Agustín Peña Jordán, Mg.

El presente trabajo está dedicado a mi familia,

A mis padres por enseñarme la perseverancia y

Agradezco a Dios por darme la salud y la vida

A mis Docentes, amigos, compañeros con

Un agradecimiento especial a la Universidad

A los laboratorios de la Facultad de Ingeniería

Al Ingeniero Segundo Espín Subdecano de la

APROBACIÓN DEL TUTOR ..................................................................................... ii

AUTORÍA DEL TRABAJO DE TITULACIÓN ....................................................... iii

DERECHOS DEL AUTOR ........................................................................................ iv

APROBACIÓN DEL TRIBUNAL DE GRADO ........................................................ v

ÍNDICE GENERAL DE CONTENIDOS ................................................................. viii

ÍNDICE DE FIGURAS .............................................................................................. xii

ÍNDICE DE TABLAS ............................................................................................... xv

RESUMEN EJECUTIVO ........................................................................................ xvii

ABSTRACT ............................................................................................................ xviii

MARCO TEÓRICO ..................................................................................................... 1

1.1. Antecedentes Investigativos .......................................................................... 1

1.2. Problema ........................................................................................................ 4

1.3. Justificación ................................................................................................... 5

1.4.1. General ................................................................................................... 5

1.4.2. Específicos ............................................................................................. 6

1.6. Hipótesis ........................................................................................................ 6

1.7. Señalamiento de variables ............................................................................. 6

1.7.1. Variable Dependiente ............................................................................. 6

1.8. Marco teórico................................................................................................. 6

1.8.1. Reciclaje ................................................................................................. 6

1.8.2. Plástico ................................................................................................... 8

6.1.1. Fibras .................................................................................................... 10

6.1.2. Materiales compuestos ......................................................................... 11

6.1.3. Clasificación de los materiales compuestos ......................................... 12

6.1.4. Filamentos para impresoras 3D ............................................................ 13

6.1.5. Extrusión .............................................................................................. 14

6.1.7. Impresión 3D........................................................................................ 16

2.1. Materiales .................................................................................................... 18

2.1.1. PET reciclado ....................................................................................... 18