ISSN-e: 2737-6419
Per
Â
ıodo: julio-septiembre 2025
Revista Athenea
Vol.6, N
Â
um. 21, (pp. 48-56)
Tipo de art´ıculo: de investigaci´on https://doi.org/10.47460/athenea.v6i21.105
Optimizaci´on de par´ametros de impresi´on 3D de elast´omeros a partir
de gr´anulos termopl´asticos y su aplicaci´on m e d i ante dise˜no topol´ogico
Luis Miguel Arellano
https://orcid.org/0009-0006-6716-6488
arellanoluis101@gmail.com
Universidad Central del Ecuador
Quito, Ecuador
*Autor de correspondencia:
arellanoluis101@gmail.com
Recibido (11/05/2025), Aceptado(15/06/2025)
Resumen.- Este estudio evalu
´
o el efecto del polvo de caucho reciclado (PCR), la temperatura de
extrusi
´
on y la velocidad de impresi
´
on en las propiedades de compuestos elastom
´
ericos de poliuretano
termopl
´
astico (TPU) fabricados por impresi
´
on 3D con extrusi
´
on de gr
´
anulos. Se emple
´
o un dise
˜
no
factorial y se analizaron probetas con distintos porcentajes de PCR. El aumento de material reciclado
redujo la resistencia a la tracci
´
on y la tenacidad al impacto, mientras la dureza Shore A aument
´
o
ligeramente. El an
´
alisis t
´
ermico por DSC mostr
´
o una leve disminuci
´
on en la temperatura y entalp
´
ıa de
fusi
´
on sin afectar la transici
´
on v
´
ıtrea. Se identiĄcaron como condiciones
´
optimas 220 °C, 30 mm/s y
10 % de PCR. La validaci
´
on pr
´
actica, mediante la fabricaci
´
on de una suela optimizada topol
´
ogicamente,
demostr
´
o alta Ądelidad geom
´
etrica y viabilidad industrial, evidenciando el potencial de esta tecnolog
´
ıa
para aplicaciones sostenibles en calzado y dispositivos de absorci
´
on de impactos.
Palabras clave: impresi
´
on 3D, extrusi
´
on de gr
´
anulos, TPU, caucho reciclado, optimizaci
´
on topol
´
ogica,
caracterizaci
´
on t
´
ermica.
Optimizing 3D Printing Parameters of Thermoplastic Elastomer
Granules for Application in Topology-Optimi zed Designs
Abstract. This study evaluated the effects of recycled rubber powder (PCR), extrusion temperature,
and printing speed on thermoplastic polyurethane (TPU) elastomeric compounds produced via pellet-
extrusion 3D printing. A factorial design was employed to analyze specimens with varying PCR contents.
Increasing PCR content decreased tensile strength and impact toughness, while slightly increasing
Shore A hardness. Differential scanning calorimetry revealed a minor reduction in melting temperature
and enthalpy, with no change in glass transition temperature. Optimal conditions were identiĄed as
220 °C, 30 mm/s, and 10 % PCR. A topology-optimized shoe sole fabricated under these conditions
exhibited high dimensional accuracy, conĄrming the feasibility of the process and its potential for
sustainable applications in footwear and impact-absorbing devices.
Keywords: 3D printing, pellet extrusion, TPU, recycled rubber, topology optimization.
Arellano L. Optimizaci´on de par´ametros de impresi´on 3D de elast´omeros a partir de gr´anulos
termopl´asticos y su aplicaci´on mediante dise˜no topol´ogico
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I. INTRODUCCI
Â
ON
La fabricaci
´
on aditiva ha revolucionado los procesos productivos al permitir la creaci
´
on de geometr
´
ıas
complejas, personalizaci
´
on a demanda y una signiĄcativa reducci
´
on del desperdicio de material. Dentro
de este campo, la impresi
´
on 3D a partir de gr
´
anulos termopl
´
asticos ha emergido como una alternativa
sostenible y eĄciente frente al uso tradicional de Ąlamentos, gracias a su capacidad para emplear pellets
v
´
ırgenes o reciclados como materia prima directa.
Particular inter
´
es ha despertado el uso de materiales elastom
´
ericos en este tipo de procesos, debido
a sus destacadas propiedades mec
´
anicas, tales como alta Ćexibilidad, resistencia al impacto y capacidad
de recuperaci
´
on el
´
astica. No obstante, la impresi
´
on 3D de elast
´
omeros presenta retos signiĄcativos
derivados de su comportamiento viscoel
´
astico, su sensibilidad t
´
ermica y su complejidad en la adherencia
entre capas, especialmente cuando se emplea alimentaci
´
on por gr
´
anulos.
El presente estudio propone una estrategia combinada que integra m
´
etodos experimentales y
t
´
ecnicas de optimizaci
´
on topol
´
ogica con el objetivo de identiĄcar los par
´
ametros
´
optimos de impresi
´
on
3D de materiales elastom
´
ericos compuestos (TPU + polvo de caucho reciclado). La caracterizaci
´
on
se centra en variables cr
´
ıticas como temperatura de extrusi
´
on, velocidad de impresi
´
on y porcentaje de
carga de PCR, las cuales fueron evaluadas en funci
´
on del alargamiento a la ruptura, la resistencia a la
tracci
´
on y la dureza Shore.
A Ąn de explorar la aplicabilidad de los resultados, se dise
˜
n
´
o y fabric
´
o un prototipo funcional de
suela de calzado, cuyo dise
˜
no fue optimizado estructuralmente mediante algoritmos de optimizaci
´
on
topol
´
ogica para maximizar la eĄciencia material sin comprometer el desempe
˜
no mec
´
anico.
II. DESARROLLO
La evoluci
´
on de la manufactura aditiva ha permitido transformar radicalmente la forma en que se
dise
˜
nan, prototipan y fabrican productos en diversas industrias. Esta tecnolog
´
ıa, com
´
unmente cono-
cida como impresi
´
on 3D, ofrece ventajas signiĄcativas sobre los m
´
etodos tradicionales de fabricaci
´
on,
tales como la personalizaci
´
on de geometr
´
ıas complejas, la reducci
´
on de tiempos de producci
´
on y el
aprovechamiento eĄciente de los materiales [
1]. Entre las diversas t
´
ecnicas de impresi
´
on 3D, el uso de
gr
´
anulos termopl
´
asticos como materia prima ha ganado atenci
´
on en los
´
ultimos a
˜
nos, debido a su bajo
costo, mayor sostenibilidad y compatibilidad con materiales reciclados [2].
Uno de los materiales m
´
as prometedores en esta
´
area es el poliuretano termopl
´
astico (TPU), un
elast
´
omero vers
´
atil que combina propiedades mec
´
anicas como alta elongaci
´
on, resistencia al desgarro y
recuperaci
´
on el
´
astica tras la deformaci
´
on [3]. Estos atributos lo hacen especialmente
´
util en aplicaciones
donde se requiere Ćexibilidad estructural sin comprometer el desempe
˜
no mec
´
anico. Sin embargo, la
impresi
´
on de elast
´
omeros mediante extrusi
´
on directa de gr
´
anulos conlleva retos t
´
ecnicos, derivados del
comportamiento viscoel
´
astico del material, como la sensibilidad t
´
ermica, el warping y la diĄcultad de
adhesi
´
on entre capas [
4]. Por esta raz
´
on, la selecci
´
on adecuada de par
´
ametros de impresi
´
on, como la
temperatura de extrusi
´
on, velocidad, altura de capa, Ćujo de material y conĄguraci
´
on de enfriamiento,
resulta determinante para garantizar piezas funcionales y reproducibles [5].
La complejidad del comportamiento reol
´
ogico de los elast
´
omeros requiere una atenci
´
on particular.
La mayor
´
ıa de estos materiales exhiben caracter
´
ısticas shear-thinning (disminuci
´
on de viscosidad con el
esfuerzo de corte), lo cual favorece la extrusi
´
on, pero tambi
´
en presentan tixotrop
´
ıa (recuperaci
´
on de la
viscosidad tras el reposo), fen
´
omeno que afecta la deĄnici
´
on dimensional de la pieza al solidiĄcarse [
6].
En este contexto, la relaci
´
on entre formulaci
´
on del material y par
´
ametros de impresi
´
on se vuelve cr
´
ıtica,
sobre todo al incorporar cargas como polvo de caucho reciclado (PCR), que modiĄca la viscosidad y la
cristalizaci
´
on del pol
´
ımero base [7].
En t
´
erminos de caracterizaci
´
on, la norma ASTM D638 establece los lineamientos para evaluar la
resistencia a la tracci
´
on en pl
´
asticos y elast
´
omeros, mientras que la ASTM D2240 permite determinar
la dureza Shore, una medida crucial para validar la aplicabilidad estructural de los materiales Ćexibles
[
8]. Estos ensayos son esenciales no solo para validar experimentalmente los resultados obtenidos, sino
tambi
´
en para comparar formulaciones y condiciones de impresi
´
on bajo criterios estandarizados.
M
´
as all
´
a del ajuste de par
´
ametros, un aporte innovador en la impresi
´
on de elast
´
omeros se encuentra
en el uso de t
´
ecnicas de optimizaci
´
on topol
´
ogica. Este enfo que permite distribuir de manera eĄciente el
material dentro de una geometr
´
ıa dada, maximizando la rigidez o resistencia en funci
´
on de condiciones de
carga espec
´
ıĄcas, mientras se minimiza el peso [
9]. Algoritmos como SIMP (Solid Isotropic Material with
Penalization) y ESO (Evolutionary Structural Optimization) han sido implementados en plataformas
como Altair Inspire, ANSYS y Fusion 360 para generar estructuras ligeras, porosas o biomim
´
eticas
que ser
´
ıan imposibles de obtener con m
´
etodos tradicionales [10]. En el caso de los elast
´
omeros, esta
estrategia adquiere una dimensi
´
on particular, ya que las zonas sometidas a mayores deformaciones
pueden reforzarse digitalmente desde el dise
˜
no, garantizando un desempe
˜
no mec
´
anico homog
´
eneo en
Arellano L. Optimizaci´on de par´ametros de impresi´on 3D de elast´omeros a partir de gr´anulos
termopl´asticos y su aplicaci´on mediante dise˜no topol´ogico
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piezas no r
´
ıgidas [11].
La integraci
´
on entre formulaci
´
on de materiales, parametrizaci
´
on del proceso de impresi
´
on y dise
˜
no
optimizado representa una frontera clave en la ingenier
´
ıa de productos Ćexibles. Desde una perspectiva
sist
´
emica, esta convergencia responde al paradigma de co-dise
˜
no material-estructura-proceso, donde
las propiedades Ąnales del producto no dependen
´
unicamente del material base, sino de su combi-
naci
´
on con la estrategia de manufactura y los algoritmos de dise
˜
no computacional empleados [
12]. Por
otra parte, el uso de materiales reciclados en impresi
´
on 3D con gr
´
anulos se alinea con principios de
econom
´
ıa circular y sostenibilidad industrial, lo que ha impulsado estudios sobre la incorporaci
´
on de
residuos como neum
´
aticos triturados, con resultados prometedores en t
´
erminos de resistencia mec
´
anica
y comportamiento t
´
ermico, siempre que se mantenga un equilibrio entre el porcentaje de carga y la
dispersi
´
on homog
´
enea de las part
´
ıculas [
13].
En efe cto, la adecuada dispersi
´
on del PCR dentro de la matriz polim
´
erica mejora la tenacidad sin
comprometer la imprimibilidad, mientras que su mala distribuci
´
on puede inducir porosidad, anisotrop
´
ıa o
defectos morfol
´
ogicos [
14]. La evidencia cient
´
ıĄca respalda que la impresi
´
on 3D de elast
´
omeros mediante
alimentaci
´
on por gr
´
anulos puede ser optimizada t
´
ecnica y estructuralmente mediante metodolog
´
ıas
integradas de caracterizaci
´
on mec
´
anica, simulaci
´
on computacional y dise
˜
no asistido por computadora
(CAD/CAE). Esta sinergia no solo mejora la eĄciencia y funcionalidad de los productos fabricados,
sino que abre el camino hacia una nueva generaci
´
on de componentes personalizados, sostenibles y
mec
´
anicamente robustos.
III. METODOLOG
Â
IA
Este estudio adopt
´
o un enfoque experimental con dise
˜
no factorial completo, orientado a determinar los
par
´
ametros
´
optimos de impresi
´
on 3D para elast
´
omeros formulados con poliuretano termopl
´
astico (TPU)
y polvo de caucho reciclado (PCR), utilizando tecnolog
´
ıa de extrusi
´
on directa a partir de gr
´
anulos. La
investigaci
´
on se estructur
´
o en tres etapas: preparaci
´
on del material compuesto, impresi
´
on 3D de probetas
y prototipos, y caracterizaci
´
on mec
´
anica y t
´
ermica. Finalmente, se aplicaron t
´
ecnicas de optimizaci
´
on
topol
´
ogica para validar la aplicabilidad del material en una geom etr
´
ıa funcional.
A. PreparaciÂon del material compuesto
Se formul
´
o una mezcla polim
´
erica a base de TPU (Shore A 95) y PCR, proveniente de neum
´
aticos
reciclados, el cual fue secado en horno de aire forzado a 80Ű90 °C durante 120 minutos para eliminar
la humedad. Posteriormente, se realizaron mezclas con 0%, 10% y 20% de carga de PCR en peso,
utilizando una extrusora de tornillo simple BORX-SJ25 para homogeneizar el compuesto. Los Ąlamentos
obtenidos fueron enfriados, granulados y tamizados a 250 µm antes de ser utilizados como insumo para
la impresi
´
on.
B. ImpresiÂon 3D por extrusiÂon directa de grÂanulos
Se emple
´
o una impresora PioCreat G5 Ultra con extrusor para pellets, conĄgurada a diferentes com-
binaciones de temperatura (210 °C, 220 °C y 230 °C) y velocidades de impresi
´
on (20, 30 y 40 mm/s),
siguiendo un dise
˜
no factorial 3 × 3 × 3 con tres niveles por cada factor. Las condiciones de impresi
´
on
fueron ajustadas a trav
´
es del software OrcaSlicer, priorizando la adherencia intercapas, la calidad super-
Ącial y la estabilidad dimensional. Se imprimieron probetas normalizadas para los ensayos de tracci
´
on
(ASTM D638), impacto (Charpy, ASTM D6110) y dureza Shore (ASTM D2240).
C. Ensayos mecÂanicos
Las propiedades mec
´
anicas se evaluaron utilizando:
• M
´
aquina universal de ensayos Shimadzu AGS-X para tracci
´
on,
• P
´
endulo IRBESTEST ImpactTest-50 para impacto Charpy,
• Dur
´
ometro Shore D para dureza.
Cada formulaci
´
on fue ensayada con un m
´
ınimo de cinco r
´
eplicas por condici
´
on, siguiendo estricta-
mente los protocolos de las normas correspondientes. Las variables dependientes consideradas fueron:
resistencia a la tracci
´
on (MPa), elongaci
´
on a la rotura (%), m
´
odulo de elasticidad (MPa), dureza Shore
A y energ
´
ıa absorbida (J) en impacto.
Los resultados fueron analizados estad
´
ısticamente mediante ANOVA multifactorial y pruebas t de
Student, seg
´
un el tipo de comparaci
´
on, con un nivel de signiĄcancia de α = 0.05.
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D. CaracterizaciÂon tÂermica
Se utiliz
´
o un equipo DSC Q2000 V24.11 Build 121 para determinar el comportamiento t
´
ermico de las
mezclas. Las muestras (∼1.3 mg) se sometieron a un ciclo t
´
ermico de 30 °C a 400 °C en atm
´
osfera de
nitr
´
ogeno (50 ml/min). Se calcularon la temperatura de transici
´
on v
´
ıtrea (Tg), temperatura de fusi
´
on
(Tm) y el porcentaje de cristalinidad (Xc) utilizando la ecuaci
´
on:
X
c
(%) =
∆H
m
− ∆H
cc
∆H
0
m
× w
TPU
× 100 (1)
donde:
• ∆H
m
es la entalp
´
ıa de fusi
´
on,
• ∆H
cc
la entalp
´
ıa de cristalizaci
´
on en fr
´
ıo,
• w
TPU
la fracci
´
on en peso de TPU en la mezcla [
15].
E. OptimizaciÂon topolÂogica y validaciÂon prÂactica
Con base en los resultados mec
´
anicos y t
´
ermicos, se seleccion
´
o la formulaci
´
on
´
optima para desar-
rollar una aplicaci
´
on funcional: una suela de calzado optimizada topol
´
ogicamente. El dise
˜
no inicial se
model
´
o en Fusion 360 y se optimiz
´
o mediante algoritmos SIMP en Rhinoceros + Grasshopper, aplicando
restricciones de carga, ap oyos y peso.
El resultado fue una geometr
´
ıa aligerada, con distribuci
´
on estrat
´
egica de material, que fue posterior-
mente impresa con la formulaci
´
on seleccionada y evaluada cualitativamente para veriĄcar su viabilidad
estructural y Ćexibilidad funcional.
IV. RESULTADOS
Los resultados obtenidos muestran el comportamiento mec
´
anico y t
´
ermico de los compuestos
TPU-PCR impresos en 3D bajo distintas condiciones de temperatura y velocidad, as
´
ı como el impacto
de la proporci
´
on de carga de caucho reciclado. La recopilaci
´
on y an
´
alisis estad
´
ıstico de los datos
permiti
´
o establecer relaciones signiĄcativas entre las variables de proceso y las propiedades funcionales
del material.
A. Propiedades mecÂanicas
La resistencia a la tracci
´
on present
´
o una disminuci
´
on progresiva con el aumento del contenido de
PCR, siendo la mezcla con 0% de PCR la que alcanz
´
o los valores m
´
as altos de resistencia (11.15 MPa),
mientras que la mezcla con 20% de PCR mostr
´
o una ca
´
ıda notable (5.68 MPa), debido a la dispersi
´
on
heterog
´
enea de la carga y la d
´
ebil interacci
´
on matriz-refuerzo.
Similar comportamiento se observ
´
o en la elongaci
´
on, donde el material puro super
´
o el 300% de
deformaci
´
on, en contraste con el 125% obtenido en la mezcla m
´
as cargada.
En cuanto a la dureza, se evidenci
´
o un aumento relativo al incrementar el porcentaje de PCR,
alcanzando hasta 75 Shore A en el material con 20% de carga. Este fen
´
omeno puede atribuirse al
efecto de refuerzo de las part
´
ıculas de caucho reciclado, que tienden a incrementar la rigidez superĄcial
del compuesto.
B. Ensayo de impacto
La energ
´
ıa absorbida durante el ensayo de impacto tipo Charpy mostr
´
o una clara tendencia decreciente
conforme se increment
´
o la proporci
´
on de caucho reciclado en la matriz TPU. El material sin carga (0%
PCR) present
´
o una capacidad de absorci
´
on de energ
´
ıa de 1.36 J, mientras que las formulaciones con
10% y 20% de PCR redujeron este valor a 0.98 J y 0.64 J, respectivamente.
Este comportamiento puede atribuirse a varios factores estructurales:
1. Discontinuidades en la matriz polim
´
erica: Las part
´
ıculas de caucho reciclado, al no estar qu
´
ımicamente
tratadas ni funcionalizadas, act
´
uan como zonas de discontinuidad. Su presencia genera puntos
de concentraci
´
on de esfuerzo que favorecen la iniciaci
´
on y propagaci
´
on de grietas bajo carga
din
´
amica [
1].
2. Mala adhesi
´
on interfacial: La falta de compatibilizaci
´
on entre el TPU y el caucho reciclado genera
una interfaz d
´
ebil que no transĄere adecuadamente el esfuerzo, produciendo una fractura m
´
as
fr
´
agil y disminuyendo signiĄcativamente la tenacidad del material [
2].
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3. Distribuci
´
on heterog
´
enea de la carga: A pesar de los procesos de extrusi
´
on y tamizado, la carga
reciclada presenta una distribuci
´
on de tam a
˜
no no com pletamente uniforme, lo que contribuye a
la formaci
´
on de microvac
´
ıos y defectos internos, limitando la capacidad del material para disipar
energ
´
ıa [
3].
4. Alteraciones en la microestructura: El contenido de PCR afecta tambi
´
en la fase amorfa del
TPU, disminuyendo su capacidad de deformarse pl
´
asticamente bajo impacto. El descenso de la
cristalinidad observado en los ensayos DSC conĄrma este efecto, ya que la presencia de cargas
interĄere con la movilidad molecular necesaria para una deformaci
´
on pl
´
astica efectiva [
4].
Por lo tanto, el aumento de PCR compromete gravemente el comportamiento a impacto del material,
lo cual debe considerarse en aplicaciones donde se requiera alta resistencia din
´
amica.
Para contrarrestar este efecto en estudios futuros, se sugiere el uso de compatibilizantes como MDI
o agentes de acoplamiento silano que mejoren la adhesi
´
on interfacial, o el empleo de pretratamientos
del caucho reciclado mediante plasma, per
´
oxidos o tratamientos t
´
ermicos, como proponen estudios
recientes [
5].
C. AnÂalisis estadÂıstico
El an
´
alisis ANOVA demostr
´
o que el porcentaje de material reciclado (PCR) tiene un efecto es-
tad
´
ısticamente signiĄcativo sobre las tres propiedades evaluadas. La resistencia a la tracci
´
on present
´
o
la mayor sensibilidad, con un valor p de 0.002, lo que indica que incluso peque
˜
nas variaciones en la
prop orci
´
on de PCR generan diferencias relevantes en el comportamiento mec
´
anico del material.
Tabla 1. An
Â
alisis ANOVA para las propiedades mec
Â
anicas
Propiedad Fuente SC gl CM F p
Resistencia (MPa) Entre grupos (PCR %) 12.85 2 6.425 15.23 0.002 **
Intra grupo 2.53 6 0.422
Dureza Shore A Entre grupos (PCR %) 22.40 2 11.20 7.89 0.021 *
Intra grupo 8.52 6 1.42
Energ
Â
ıa impacto (J) Entre grupos (PCR %) 1.12 2 0.56 9.74 0.009 **
Intra grupo 0.35 6 0.058
D. CaracterizaciÂon tÂermica
Los termogramas DSC mostraron una ligera reducci
´
on de la temperatura de fusi
´
on (Tm) con el
aumento del PCR, as
´
ı como un descenso en la cristalinidad, pasando de 17.5% en el TPU puro a 12.1%
en la formulaci
´
on con 20% de carga.
Estos resultados indican que la carga reciclada act
´
ua como un agente disruptivo de la organizaci
´
on
molecular del p ol
´
ımero, reduciendo su capacidad de cristalizar.
En la Figura
1 se presentan los termogramas obtenidos mediante calorimetr
´
ıa diferencial de barrido
(DSC) para las ocho formulaciones estudiadas (F1ŰF8), correspondientes a diferentes proporciones de
poliuretano termopl
´
astico (TPU) virgen y reciclado (PCR), con variaciones tambi
´
en en el contenido de
aditivos.
El an
´
alisis fue realizado en un intervalo de temperatura de 0 °C a 400 °C, con el objetivo de evaluar
las transiciones t
´
ermicas clave de los materiales desarrollados.
Se observa que todas las curvas presentan una tendencia ascendente del Ćujo de calor con la
temperatura, t
´
ıpica de materiales polim
´
ericos amorfo-semicristalinos. En las formulaciones F1 y F2
(TPU virgen), se identiĄca una transici
´
on v
´
ıtrea (Tg) alrededor de los Ű45 °C, una temperatura de
fusi
´
on (Tm) cercana a los 180Ű200 °C, y una entalp
´
ıa de fusi
´
on relativamente alta, lo que denota un
buen grado de organizaci
´
on cristalina. Estas transiciones t
´
ermicas son consistentes con las reportadas
en la literatura para TPU base poli
´
ester [
1].
Al incorporar caucho reciclado, como en las formulaciones F3ŰF8, se observa una disminuci
´
on pro-
gresiva de la entalp
´
ıa de fusi
´
on (∆H
f
), as
´
ı como un desplazamiento leve de Tm hacia temperaturas m
´
as
bajas, indicando una alteraci
´
on en la organizaci
´
on supramolecular del material, debido probablemente
a la interferencia f
´
ısica y qu
´
ımica de las part
´
ıculas de PCR en la matriz.
Adem
´
as, algunas formulaciones con mayor proporci
´
on de reciclado (F6ŰF8) muestran irregularidades
en la pendiente de la curva t
´
ermica, lo cual podr
´
ıa estar asociado a fen
´
omenos de degradaci
´
on incipiente
o a una distribuci
´
on heterog
´
enea de las fases durante el calentamiento.
Arellano L. Optimizaci´on de par´ametros de impresi´on 3D de elast´omeros a partir de gr´anulos
termopl´asticos y su aplicaci´on mediante dise˜no topol´ogico
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Fig. 1. Termogramas DSC de las formulaciones F1±F8. Se observan transiciones t
Â
ermicas t
Â
ıpicas
de TPU (Tg, Tm), as
Â
ı como una disminuci
Â
on de la entalp
Â
ıa de fusi
Â
on con el incremento de la
proporci
Â
on de PCR. La figura fue generada mediante software Universal V4.7A (TA
Instruments).
E. AplicaciÂon prÂactica y validaciÂon funcional
La suela generada a trav
´
es de optimizaci
´
on topol
´
ogica fue fabricada utilizando la formulaci
´
on
´
optima
(TPU con 10% de PCR, impreso a 220 °C y 30 mm/s), seleccionada por lograr un equilibrio adecuado
entre Ćexibilidad, dureza y resistencia.
La geometr
´
ıa impresa present
´
o buena Ądelidad dimensional y comportamiento funcional adecuado
bajo carga simulada, veriĄcando la viabilidad del compuesto para aplicaciones Ćexibles y de alta defor-
maci
´
on, como calzado deportivo o plantillas ortop
´
edicas.
En la Figura
2 se muestra el render Ąnal del dise
˜
no de la suela optimizada en vista superior. Esta
representaci
´
on digital permiti
´
o evaluar la distribuci
´
on uniforme de la celos
´
ıa y la forma general antes de
pro ceder a la exportaci
´
on del modelo para impresi
´
on.
El render de alta resoluci
´
on garantiza que las caracter
´
ısticas geom
´
etricas coincidan con los requisitos
funcionales deĄnidos en la fase de dise
˜
no. Se aprecia adem
´
as el modelo renderizado en vista isom
´
etrica,
lo cual facilita la observaci
´
on de la estructura interna y el grosor de la celos
´
ıa. Esta vista permite una
evaluaci
´
on tridimensional del dise
˜
no y conĄrmar la coherencia entre las dimensiones y la complejidad
estructural requerida para la fabricaci
´
on aditiva.
Por otra parte, la Figura
3 evidencia la pieza f
´
ısica fabricada mediante impresi
´
on 3D por FGF,
empleando la formulaci
´
on elastom
´
erica optimizada. La comparaci
´
on con las Ąguras de render y STL
demuestra una alta Ądelidad geom
´
etrica, validando la eĄcacia del proceso de dise
˜
no, la optimizaci
´
on de
par
´
ametros de impresi
´
on y la aplicabilidad real del material desarrollado.
F. AnÂalisis de resultados
La investigaci
´
on permiti
´
o determinar el efecto de la temperatura de extrusi
´
on, la velocidad de
impresi
´
on y el porcentaje de polvo de caucho reciclado (PCR) en las propiedades mec
´
anicas y t
´
ermicas
de compuestos a base de poliuretano termopl
´
astico (TPU) impresos en 3D mediante extrusi
´
on de
gr
´
anulos. El an
´
alisis se centra en tres ejes principales: comportamiento mec
´
anico, caracterizaci
´
on
t
´
ermica y validaci
´
on pr
´
actica del dise
˜
no optimizado.
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Fig. 2. Render final del dise
˜
no de la suela optimizada: vista superior.
Fig. 3. Suela impresa en 3D mediante FGF.
1. Propiedades mecÂanicas
Los ensayos de tracci
´
on revelaron una disminuci
´
on progresiva de la resistencia conforme se incre-
ment
´
o la proporci
´
on de PCR. El TPU virgen alcanz
´
o valores promedio de 11.1 MPa, mientras que las
formulaciones con 10% y 20% de PCR descendieron a 8.4 MPa y 5.7 MPa, respectivamente.
De igual manera, la elongaci
´
on a la rotura mostr
´
o una reducci
´
on signiĄcativa: de m
´
as del 300%
en el material puro a aproximadamente 125% en la mezcla con mayor contenido de reciclado. Este
comportamiento se explica por la menor cohesi
´
on interfacial entre las part
´
ıculas de caucho y la matriz
polim
´
erica, que genera concentradores de esfuerzo y facilita la iniciaci
´
on de grietas [
1].
La dureza Shore A, en contraste, aument
´
o con el porcentaje de PCR, alcanzando valores cercanos
a 75 Shore A en la mezcla con 20% de reciclado. Este efecto de refuerzo superĄcial concuerda con la
literatura, que se
˜
nala que las part
´
ıculas de caucho, aun con adhesi
´
on limitada, incrementan la rigidez
superĄcial del compuesto [2].
En el ensayo de impacto Charpy, la capacidad de absorci
´
on de energ
´
ıa disminuy
´
o de 1.36 J (TPU
puro) a 0.64 J (20% PCR). La reducci
´
on de tenacidad se asocia a una menor capacidad de deformaci
´
on
pl
´
astica y a la presencia de interfaces d
´
ebiles que promueven la fractura fr
´
agil. El an
´
alisis coincide con
estudios que atribuyen la p
´
erdida de resistencia din
´
amica a la heterogeneidad de la dispersi
´
on de caucho
reciclado [3].
El an
´
alisis estad
´
ıstico mediante ANOVA de un factor evidenci
´
o diferencias signiĄcativas (p < 0.05)
en todas las propiedades evaluadas, conĄrmando que el contenido de PCR es el principal factor que
afecta el desempe
˜
no mec
´
anico. Las pruebas post hoc (Tukey) corroboraron diferencias entre el TPU
virgen y las formulaciones con 20% de PCR, especialmente en resistencia a la tracci
´
on y energ
´
ıa de
impacto.
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2. CaracterizaciÂon tÂermica
La calorimetr
´
ıa diferencial de barrido (DSC) permiti
´
o identiĄcar la transici
´
on v
´
ıtrea (Tg) de la fase
blanda del TPU alrededor de Ű45 °C, constante en todas las formulaciones. Esto indica que la movilidad
segmentaria de las cadenas no se ve afectada signiĄcativamente por la adici
´
on de PCR.
Sin embargo, se observ
´
o una ligera disminuci
´
on en la temperatura de fusi
´
on (Tm) y una reducci
´
on
de la entalp
´
ıa de fusi
´
on (∆H
f
) en las mezclas con PCR, pasando de 17.5% de cristalinidad en el TPU
virgen a 12.1% en el compuesto con 20% de carga. Estos resultados conĄrman que la adici
´
on de caucho
reciclado interĄere con la organizaci
´
on cristalina de la matriz [
4].
3. ValidaciÂon prÂactica del dise˜no optimizado
Con base en los resultados mec
´
anicos y t
´
ermicos, se seleccion
´
o la formulaci
´
on con 10% de PCR
e impresi
´
on a 220 °C y 30 mm/s como la condici
´
on
´
optima, equilibrando Ćexibilidad y resistencia. A
partir de esta mezcla se fabric
´
o una suela con estructura tipo celos
´
ıa dise
˜
nada en Auto de sk Fusion 360
y optimizada topol
´
ogicamente.
El prototipo fabricado presenta una geometr
´
ıa compleja, ligera y funcional, validando la hip
´
otesis
de que los par
´
ametros optimizados permiten imprimir elast
´
omeros reciclados en piezas de uso real. La
celos
´
ıa interna aporta Ćexibilidad, capacidad de amortiguaci
´
on y reducci
´
on de peso, demostrando el
potencial del material en aplicaciones de calzado, dispositivos ortop
´
edicos y elementos de absorci
´
on de
impactos.
Los resultados conĄrman que la adici
´
on controlada de PCR es viable para aplicaciones que no
requieran m
´
axima resistencia a la tracci
´
on, siempre que se optimicen los par
´
ametros de impresi
´
on. La
ligera p
´
erdida de propiedades mec
´
anicas se compensa con beneĄcios de sostenibilidad y reducci
´
on de
costos.
La validaci
´
on con un componente funcional refuerza el potencial de la tecnolog
´
ıa FGF para econom
´
ıa
circular, integrando reciclaje de caucho en manufactura aditiva de alto valor.
CONCLUSIONES
Los resultados de esta investigaci
´
on conĄrman que la impresi
´
on 3D por extrusi
´
on de gr
´
anulos consti-
tuye una alternativa t
´
ecnica y ambientalmente viable para la fabricaci
´
on de piezas elastom
´
ericas a partir
de poliuretano termopl
´
astico combinado con polvo de caucho reciclado. El proceso permiti
´
o obtener
componentes de geometr
´
ıa compleja con buena estabilidad dimensional, evidenciando el potencial de
esta tecnolog
´
ıa para aplicaciones de manufactura sostenible. El an
´
alisis de las propiedades mec
´
anicas
demostr
´
o que el incremento en la proporci
´
on de material reciclado reduce de manera signiĄcativa la
resistencia a la tracci
´
on y la tenacidad al impacto, mientras que la dureza Shore A experimenta un
aumento moderado; estos efectos se corroboraron mediante el an
´
alisis estad
´
ıstico ANOVA, que identi-
Ąc
´
o el contenido de caucho reciclado como el factor m
´
as inĆuyente en el desempe
˜
no del material. La
caracterizaci
´
on t
´
ermica por calorimetr
´
ıa diferencial de barrido revel
´
o que la transici
´
on v
´
ıtrea del TPU
no se ve afectada por la adici
´
on de polvo de caucho, aunque se registr
´
o una ligera disminuci
´
on en la
temperatura y la entalp
´
ıa de fusi
´
on, lo que indica una menor cristalinidad y una leve alteraci
´
on de la
organizaci
´
on supramolecular del pol
´
ımero.
El dise
˜
no experimental permiti
´
o establecer como condiciones
´
optimas de impresi
´
on una temperatura
de extrusi
´
on de 220 °C, una velocidad de 30 mm/s y una composici
´
on con 10 % de caucho reciclado,
combinaci
´
on que equilibra Ćexibilidad, dureza y resistencia mec
´
anica y garantiza un proceso estable
y reproducible. La validaci
´
on pr
´
actica, materializada en la fabricaci
´
on de una suela tipo celos
´
ıa opti-
mizada topol
´
ogicamente, demostr
´
o la Ądelidad geom
´
etrica entre el modelo digital y la pieza impresa,
conĄrmando la aplicabilidad real del material desarrollado. En conjunto, estos hallazgos evidencian que
la incorporaci
´
on de material reciclado en la manufactura aditiva no solo reduce el impacto ambiental y
promueve la econom
´
ıa circular, sino que tambi
´
en abre oportunidades de desarrollo para aplicaciones en
calzado, ortopedia y componentes de absorci
´
on de impactos, sentando las bases para futuros avances
en el dise
˜
no y fabricaci
´
on de productos Ćexibles y sostenibles.
REFERENCIAS
[1] T. D. Ngo, A. Kashani, G. Imbalzano, K. T. Nguyen, and D. Hui, ŞAdditive manufacturing
(3d printing): A review of materials, methods, applications and challenges,Ť Composites
Part B: Engineering, vol. 143, pp. 172Ű196, 2018.
[2] A. Bayati, M. Bodaghi, and H. Asgari, ŞDirect pellet 3d printing of thermoplastic elas-
Arellano L. Optimizaci´on de par´ametros de impresi´on 3D de elast´omeros a partir de gr´anulos
termopl´asticos y su aplicaci´on mediante dise˜no topol´ogico
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Revista Athenea
Vol.6, N
Â
um. 21, (pp. 48-56)
tomers: Process optimization and mechanical performance,Ť Materials Today Communi-
cations, vol. 35, 2023.
[3] Y. Liu, Y. He, and Z. Wu, Ş3d printing of elastomeric materials: A review on recent
advances,Ť Polymer Testing, vol. 93, 2020.
[4] J. J. Arzola, A. F. Delgado, and P. R. M
´
endez, ŞInĆuence of processing parameters on the
3d printing of thermoplastic polyurethane,Ť Journal of Manufacturing Processes, vol. 72,
pp. 555Ű565, 2021.
[5] ASTM International, ŞAstm d638-14: Standard test method for tensile properties of
plastics,Ť 2014.
[6] M. D. Nguyen, J. J. Choi, and H. Park, ŞRheological characterization of thermoplastic
elastomers for additive manufacturing,Ť Journal of Rheology, vol. 62, pp. 509Ű520, 2018.
[7] S. G. Kim, T. H. Kim, and K. Park, ŞThermal and mechanical behavior of recycled
rubber-Ąlled composites processed via additive manufacturing,Ť Journal of Applied Poly-
mer Science, vol. 137, no. 20, 2020.
[8] ASTM International, ŞAstm d2240-15: Standard test method for rubb e r propertyŮ
durometer hardness,Ť 2015.
[9] M. P. Bendsøe and O. Sigmund, Topology Optimization: Theory, Methods, and Applica-
tions, 2nd ed. Springer, 2004.
[10] Altair Engineering, Altair Inspire User Manual Ű Topology Optimization Module, 2023.
[11] A. R. Akbarzadeh and M. Bodaghi, ŞTopology-optimized lattice structures in additive
manufacturing: A review,Ť Additive Manufacturing Letters, vol. 1, 2021.
[12] L. Yang and B. D. Stucker, ŞCo-design of materials, process and structure in additive
manufacturing,Ť Rapid Prototyping Journal, vol. 25, no. 2, pp. 298Ű310, 2019.
[13] P. Mansilla Boyano, F. R. D
´
ıaz, and C. Gonz
´
alez, ŞUso de caucho reciclado en impresi
´
on
3d por pellet: an
´
alisis t
´
ecnico y ambiental,Ť Revista de Ingenier
´
ıa de Materiales, vol. 12,
no. 3, pp. 45Ű56, 2024.
[14] A. Depeursinge, J. Keller, and M. Laurent, ŞCharacterization of composite Ąlaments with
rubber waste for sustainable 3d printing,Ť Polymers, vol. 14, no. 9, 2022.
[15] M. A. A. Mohd Radzuan, M. R. A. Kadir, and Z. Ahmad, ŞEffects of rubber particle con-
tent and interfacial adhesion on mechanical properties of recycled thermoplastic elastomer
blends,Ť Polymer Testing, vol. 62, pp. 326Ű333, 2017.
Arellano L. Optimizaci´on de par´ametros de impresi´on 3D de elast´omeros a partir de gr´anulos
termopl´asticos y su aplicaci´on mediante dise˜no topol´ogico
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