Simulación computacional de filamento de PLA (ácido poliláctico) para impresión 3D con potencial uso en fabricación de andamios (scaffolds) para regeneración de tejido

Abstract

En este artículo aborda la simulación mediante mecánica de fluidos computacionales (CFD) de la extrusión de un filamento polímero con potencial uso en la industria biomédica. El PLA ser utilizado como material base dado las propiedades para ser extruido y su posibilidad de ser empleado como un biomaterial. Se utiliza CFD como un método esencial para simular cómo los fluidos viscosos fluyen en boquillas de impresión 3D, y para esto se llevó a cabo el uso de OpenFOAM. En la metodología se incluye el diseño CAD de boquillas identificando variables de diseño dado que se tomaron 3 diferentes diámetros de extrusión, 2 longitudes totales, 3 temperaturas de impresión, y 3 diferentes velocidades, además se realizó una búsqueda de las propiedades reológicas del PLA y por último se utilizaron estos datos para realizar la simulación CFD, esto buscando analizar variables como velocidad y temperatura. Le logro determinar que a mayor velocidad de entrada del flujo el desarrollo de la temperatura es menor, permitiendo así definir un valor máximo de entrada de 5 mm/s, además se encontró que la presión no depende solo de la morfología de la boquilla, si no de la velocidad de entrada.

Abstract This article addresses the simulation through computational fluid dynamics (CFD) of the extrusion process of a polymer filament with potential use in the biomedical industry. PLA is chosen as the base material due to its properties for extrusion and its potential as a biomaterial. CFD is used as an essential method to simulate how viscous fluids flow through 3D printing nozzles, and for this purpose, OpenFOAM was employed. The methodology includes CAD nozzle design identifying design variables as three different extrusion diameters, two total lengths, three printing temperatures, and three different speeds were taken into account. Additionally, a search for the rheological properties of PLA was conducted. Finally, these data were used to perform the CFD simulation, aiming to analyze variables such as speed and temperature. It was determined that a higher flow inlet speed leads to lower temperature development, allowing the definition of a maximum inlet value of 5 mm/s. Furthermore, it was found that pressure depends not only on the morphology of the nozzle but also on the inlet speed.