Tribunal:
     PRESIDENT: CALVO MUÑOZ, JESICA
     SECRETARI: SUÑOL MARTÍNEZ, JUAN JOSÉ
     VOCAL: AGUILAR, CLAUDIO
Resum de tesi: Aquesta investigació doctoral va avaluar la viabilitat d'utilitzar diverses matèries primeres basades en alumini en la fabricació additiva (AM) per desenvolupar alternatives rendibles i respectuoses amb el medi ambient a la fabricació de metalls tradicional. L'estudi va examinar sistemàticament el filament AA6061, els grànuls d'AlSi10Mg (comercials i reciclats) i la pasta de pols d'AlSi10Mg a través de tres tècniques d'AM: Modelatge per Deposició Fusionada (FDM), extrusió basada en cargol i Escriptura Directa amb Tinta (DIW). Els objectius principals eren optimitzar els paràmetres d'impressió, desaglomeració tèrmica i sinterització per a cada matèria primera i tècnica d'AM, i avaluar les propietats mecàniques i microestructures resultants de les peces fabricades. Per a la impressió, el filament AA6061 processat mitjançant FDM va aconseguir resultats òptims amb un diàmetre de broquet de 0,8 mm a 205 °C. Els grànuls d'AlSi10Mg (comercials i reciclats) i la pasta de pols d'AlSi10Mg, utilitzats en l'extrusió basada en cargol i DIW respectivament, van tenir un millor rendiment amb broquets de 0,6 mm i temperatures més baixes. Aquestes optimitzacions van establir unes condicions de referència crítiques per als passos de processament posteriors, emfatitzant els requisits diferents de cada material i tècnica. El desaglomerant tèrmic, essencial per eliminar els aglutinants polimèrics abans de la sinterització, es va optimitzar per a cada matèria primera. Per al filament AA6061, 550 °C amb temps de retenció de fins a 3 hores va ser el més efectiu. Per als grànuls comercials d'AlSi10Mg, 350 °C durant 3 hores va donar resultats òptims, una condició que també va funcionar per a grànuls reciclats i pasta en pols. Aquests paràmetres van minimitzar els defectes i van preparar les peces per a una sinterització reeixida. Els paràmetres de sinterització es van optimitzar rigorosament per garantir la densificació i les propietats mecàniques desitjades. El filament AA6061 es va sinteritzar millor a 635 °C, mentre que els grànuls comercials d'AlSi10Mg i la pasta en pols van aconseguir resultats òptims a 600 °C. Els grànuls reciclats d'AlSi10Mg van assolir el rendiment màxim a 620 °C. Tota la sinterització es va dur a terme durant 3 hores sota una atmosfera de nitrogen amb trampes de buit i oxigen. L'anàlisi SEM va confirmar una densificació més gran i microestructures uniformes en aquestes condicions. Es va introduir una tècnica de premsat preselector per millorar encara més la densificació i reduir la porositat. Aquest pas va millorar significativament la densitat relativa de les peces sinteritzades entre un 19,25 i un 45,55%, i les mostres premsades van assolir densitats de fins al 93,65%. Les proves mecàniques van mostrar que els grànuls d'AlSi10Mg reciclats van proporcionar la resistència a la compressió més alta (168,34 MPa), seguits dels grànuls comercials, el filament AA6061 i la pasta en pols.

Tribunal:
     PRESIDENT: TYLKOWSKI, BARTOSZ
     SECRETARI: DEL VALLE MENDOZA, LUIS JAVIER
     VOCAL: CABRERA, MIGUEL
Resum de tesi: La tecnologia In-Mold Electronics permet la creació de superfícies electròniques amb formes tridimensionals, combinant l'electrònica impresa amb la tecnologia In-Mold Decoration. Aquest enfocament permet la integració de circuits electrònics en una àmplia gamma d'aplicacions complexes i diverses, que van des dels interiors d'automòbils fins a l'electrònica de consum. Durant el procés de fabricació d'aquests dispositius, es requereix que tots els materials implicats, incloent-hi els adhesius, resistissin les rigoroses condicions de transformació per tal de garantir la funcionalitat i la fiabilitat del dispositiu final. Els adhesius, que són importants per assegurar els components electrònics a la superfície i mantenir la integritat del circuit, posseeixen propietats que poden influir significativament en la deformació de la làmina durant el procés de termoformatge. Aquestes deformacions poden tenir un gran impacte en el rendiment i la durabilitat general del dispositiu. Aquest estudi està dedicat a examinar minuciosament els efectes que l'adhesiu estructural té en la deformació de la làmina durant el procés de termoformatge, així com el seu impacte en la funcionalitat del dispositiu final. Aquest estudi investiga meticulosament com diferents quantitats i dipòsits de l'adhesiu estructural afecten l'estirament de la làmina durant el procés de termoformatge i el motlle per sobreinjecció, comparant mostres impreses i hibridades. Els resultats revelen que les mostres hibridades, aquelles amb adhesiu estructural, presenten deformacions diferents respecte a les mostres impreses. Concretament, les àrees al voltant de l'adhesiu mostren un estirament reduït, mentre que les regions més allunyades de l'adhesiu compensen amb un augment en l'estirament. Aquesta compensació provoca un sobreestirament en certes zones, el que, en alguns casos, resulta en descontinuïtats del circuit i comprometeix el seu rendiment elèctric. A més, la variació en l'estirament no només afecta la integritat del circuit, sinó que també altera la posició final dels components electrònics, desplaçant-los de les seves ubicacions previstes, generant malfuncionaments o fallades en el dispositiu final. Per abordar aquests desafiaments, aquest estudi recomana ajustar la quantitat i la deposició de l'adhesiu estructural en funció de la deformació local. Mitjançant l'adaptació de l'adhesiu, es pot minimitzar l'estirament innecessari, assegurant tant la integritat mecànica com elèctrica del dispositiu final. A més, l'anàlisi durant el procés de motlle per injecció va destacar que utilitzar la quantitat d'adhesiu amb cura assegura eficaçment que tots els components es mantinguin en les seves posicions designades sense comprometre la funcionalitat. Les idees obtingudes d'aquesta investigació són crítiques per al disseny i la fabricació de dispositius IME. Proporcionen pautes per optimitzar la col·locació i la quantitat d'adhesiu, millorant finalment la fiabilitat, el rendiment i el rendiment dels dispositius funcionals en producció a gran escala.

Tribunal:
     PRESIDENT: CASELLAS PADRO, DANIEL
     SECRETARI: FARGAS RIBAS, GEMMA
     VOCAL: MOSELEY, STEVEN
Resum de tesi: Aquesta tesi explora la relació entre microestructura i propietats mecàniques dels carburadors cimentats WC-Co (metalls durs), fabricats mitjançant dues tècniques de manufactura additiva (AM) amb sinterització: Binder Jetting Technology (BJT) i Direct Ink Writing (DIW). Tot i el potencial de la AM per produir materials d’alt rendiment, la recerca s’ha centrat sobretot en l’optimització de paràmetres de procés, deixant de banda com la fabricació afecta la microestructura i les propietats mecàniques. Cal, doncs, entendre aquests efectes per implementar la AM com una alternativa real al processament convencional.Aquest treball analitza la resposta mecànica —duresa, resistència al contacte per lliscament i comportament a fractura— de carburadors formats amb BJT i DIW, i consolidats per sinterització. L’estudi considera l’efecte de l’estratègia capa a capa i de l’orientació d’apilament, així com la naturalesa multiescalar dels materials, amb característiques que van de nanòmetres a mil·límetres.Un resultat clau és l’homogeneïtat microestructural de totes les mostres, independentment de la tècnica o orientació. Aquesta isotropia també es reflecteix en la duresa, el comportament al lliscament i la tenacitat a la fractura (KIc). Es valida el mètode SEμVNB amb microentalles làser per determinar KIc. La sinterització redueix l’anisotropia i assegura isotropia estable en diferents configuracions d’assaig.Les mesures de duresa, sota diverses càrregues, donen valors similars als de graus convencionals WC-Co, demostrant la viabilitat de la AM per obtenir materials competitius. Es detecta un efecte d’escala rellevant en microestructures amb distribució heterogènia de carbur, on la dispersió augmenta amb càrregues baixes. Això subratlla la importància d’incloure aquest efecte en protocols de caracterització. El mapeig per nanoindentació a alta velocitat i l’anàlisi estadística permeten determinar propietats micromecàniques de fases individuals i validar aquesta tècnica com a eina de microscòpia mecànica.Els assaigs de ratllat mostren que els graus AM presenten resistència al desgast comparable als metalls durs convencionals. Algunes mostres BJT amb microestructures mixtes fins i tot milloren el comportament, gràcies a l’acció combinada de carburadors grans (absorció d’energia) i petits (resistència intrínseca), i a diferències en la capa tribològica.A diferència de la duresa, el desgast i la tenacitat, la resistència a flexió sí depèn de l’orientació d’apilament (però no de la direcció d’impressió), degut a defectes com ondulacions, desalineacions i variacions en el cobalt, que influeixen en la fractura. Així, la variabilitat en AM sembla lligada principalment als defectes. Finalment, la Mecànica de Fractura Elàstica Lineal es confirma com a marc predictiu eficaç, identificant-se dos tipus de fissures: subsuperficials (forma de moneda) i superficials semiel·líptiques, amb bona concordança entre valors estimats i experimentals.En conclusió, la tesi demostra que les rutes AM amb sinterització (BJT i DIW) poden generar WC-Co amb propietats comparables a les del processament convencional. Es proporciona una visió integral de la relació estructura-propietats i directrius per al seu ús industrial, destacant el disseny microestructural i el control de defectes com a claus per garantir un rendiment fiable i òptim.

Tribunal:
     PRESIDENT: ENGIN VRANA, NIHAL
     SECRETARI: GODOY GALLARDO, MARIA
     VOCAL: REVERON CABOTTE, HELEN
Resum de tesi: La zircona policristal·lina tetragonal dopada amb un 3% d’itria (3Y-TZP) s’ha convertit en una alternativa prometedora al titani per als implants dentals, gràcies a la seva excel·lent biocompatibilitat, alta resistència mecànica, resistència a la corrosió i bones propietats estètiques. Malgrat aquests avantatges, l’èxit clínic dels implants de zirconi encara depèn de la seva capacitat per afavorir l’osteointegració, minimitzant alhora el risc de colonització bacteriana, un procés competitiu conegut com a “race for the surface”. Les propietats superficials dels implants dentals, com la topografia, influeixen críticament en la resposta biològica a la interfície teixit-implant. En particular, les micro- i nanotopografies impacten directament en la interacció entre les cèl·lules i el material, i poden modular diverses funcions cel·lulars com l’adhesió, la migració, la proliferació i la diferenciació. Igualment, aquestes característiques topogràfiques també afecten la resposta bacteriana, afavorint o reduint la colonització mitjançant efectes antifouling o bactericides. Per aquest motiu, les modificacions superficials s’han convertit en una estratègia àmpliament explorada per millorar el rendiment biològic dels implants. No obstant això, el repte continua sent dissenyar superfícies que puguin afavorir alhora la osteointegració i evitar l’adhesió bacteriana.Aquesta tesi doctoral ha abordat aquest repte investigant diferents estratègies de modificació superficial per millorar el comportament biològic dels implants dentals de 3Y-TZP. L’objectiu ha estat crear topografies capaces de millorar simultàniament el comportament cel·lular i presentar propietats antibacterianes. Concretament, es van desenvolupar i caracteritzar diverses superfícies de zircona micro- i nanostructurades, i es va avaluar el seu comportament biològic tant en termes de resposta de cèl·lules mare mesenquimals humanes (hMSCs) com de l’adhesió bacteriana. Prèviament al treball experimental, es va dur a terme una revisió bibliogràfica exhaustiva sobre les estratègies de modificació topogràfica de 3Y-TZP (Capítol I), que va permetre identificar mancances i orientar la selecció dels tractaments superficials. A continuació, es van aplicar diferents tècniques de modificació, incloent l’atac amb àcid fluorhídric (HF) per generar nanotopografies (Capítol II) i el gravat làser amb làser de nanosegons (ns-) i femtosegons (fs-) per obtenir microestructures definides (Capítol III). També es van combinar aquestes tècniques per avaluar un possible efecte sinèrgic de les topografies jeràrquicament rugoses (Annex I). Els resultats obtinguts demostren que tant l’atac químic com el gravat làser van millorar amb èxit el comportament biològic de la zircona, millorant el comportament cel·lular i reduint l’adhesió bacteriana. No obstant això, la seva combinació no va produir una millora sinèrgica. Entre totes les superfícies analitzades, el patró lineal de 3 μm (L3), creat mitjançant làser de femtosegons, va oferir el millor balanç, millorant simultàniament l’adhesió, la migració i la diferenciació osteogènica de les hMSC, alhora que va reduir significativament l’adhesió de Staphylococcus aureus i Pseudomonas aeruginosa. També va conduir al millor resultat biològic en condicions de co-cultiu competitiu. A més, la biofuncionalització d’aquesta topografia amb un pèptid multifuncional amb propietats antimicrobianes i d’adhesió cel·lular va mostrar efectes sinèrgics prometedors (Annex II). Aquestes millores es van aconseguir sense comprometre la integritat mecànica de la superfície (Annex III).En conclusió, aquesta tesi doctoral ha demostrat que la modificació topogràfica de zircona ofereix estratègies prometedores per al desenvolupament d’implants amb un rendiment biològic millorat, afavorint tant la osteointegració com la resposta antibacteriana. Futures investigacions haurien d’incloure la integració de senyals bioquímiques, validació in vivo i anàlisi de la integritat mecànica.

Tribunal:
     PRESIDENT: TROMAS, CHRISTOPHE
     SECRETARI: RAMÍREZ SANDOVAL, GISELLE
     VOCAL: GAILLARD, YVES
Resum de tesi: Aquesta tesi doctoral se centra en la caracterització micromecànica de materials multifàsics mitjançant mapatge de nanoindentació d’alta velocitat (HSNM), combinant-lo amb tècniques estadístiques i d’aprenentatge automàtic. L’objectiu és extreure i interpretar propietats mecàniques amb resolució espacial a partir de grans conjunts de dades, millorant la comprensió de les relacions microestructura-propietat en sistemes complexos com compostos ceràmic-metall i acers heterogenis.La tècnica HSNM permet adquirir dades locals amb resolució micromètrica sobre grans àrees, però el seu ús presenta diversos reptes: optimització de l’espaiat entre indentacions, interpretació de dades disperses, limitacions de la distribució Gaussiana per representar propietats micromecàniques, i dificultats en la classificació prop d’interfases. A més, hi ha un interès creixent en automatitzar la interpretació mitjançant aprenentatge automàtic.Els objectius d’aquesta tesi inclouen: (i) avaluar materials industrialment rellevants amb HSNM, (ii) aplicar aprenentatge no supervisat per quantificar transicions micromecàniques, (iii) introduir distribucions esbiaixades com alternativa als ajustos Gaussians, i (iv) desenvolupar models supervisats que classifiquin la resposta de nanoindentació segons la forma de la corba completa.Metodològicament, la tesi implementa el model de mescla Gaussiana (GMM) per agrupar propietats mecàniques i identificar fases en materials com WC-Co i acers superdúplex. Aquesta estratègia permet analitzar superfícies àmplies i detectar transicions mecàniques, com gradients d’enduriment en acers avançats d’alta resistència (AHSS) i canvis de propietats produïts per fusió amb feix d’electrons (PBF-EB) en aliatges 316L/V4E.Per abordar dades asimètriques o disperses, s’introdueix l’ajust de distribucions Skew-normal, que ofereix una representació més fidel de la realitat, especialment en zones influïdes per interfases com en metalls durs. Aquest enfocament millora la classificació de fases respecte als ajustos Gaussians tradicionals.La tesi també desenvolupa un model supervisat basat en xarxes neuronals convolucionals (CNNs), entrenat amb corbes de resposta mecànica transformades en imatges bidimensionals que preserven la seva forma. Aquest model permet classificar les respostes en fases conegudes amb alta precisió i proporciona una puntuació de confiança contínua per a cada classificació. Això suposa un canvi de paradigma cap a una classificació basada en similitud, que facilita la construcció de mapes continus capaços de capturar amb més realisme les transicions micromecàniques i el comportament d’interfases.En conjunt, el treball posa de manifest el potencial del HSNM combinat amb tècniques estadístiques i d’aprenentatge automàtic per caracteritzar materials multifàsics complexos. La tesi obre noves vies per millorar la interpretació del comportament mecànic heterogeni i per integrar-lo amb dades microestructurals, contribuint al desenvolupament de metodologies més robustes i automatitzades en la ciència dels materials.

Tribunal:
     PRESIDENT: MOLINA ALDAREGUIA, JON
     SECRETARI: FARGAS RIBAS, GEMMA
     VOCAL: CARO PRADOS, JAUME
Resum de tesi: Els carburs cimentats de WC-Co s’utilitzen àmpliament en la indústria, especialment per a eines de tall, gràcies a la seva excepcional combinació de propietats mecàniques. Aquests compostos estan formats per partícules de carbur de tungstè (WC) incrustades en un aglutinant metàl•lic de cobalt (Co), aconseguint una combinació única de duresa, resistència al desgast i tenacitat a la fractura. No obstant això, aquestes propietats poden degradar-se a temperatures elevades (>500 °C) a causa de la seva sensibilitat a la corrosió. Per mitigar aquest problema, s’apliquen recobriments protectors com el nitrur de titani i alumini (TiAlN) o el nitrur de titani i silici (TiSiN), els quals en milloren el rendiment sota càrregues tèrmiques altes.El rectificat és la tècnica de postprocessat més comuna per obtenir la geometria final i les toleràncies dimensionals dels components de WC-Co. Tanmateix, afecta la integritat superficial, induint defectes com esquerdes, buits, alta rugositat (0.2 - 0.6 µm), transformació de fase del Co i tensions residuals de compressió que s’estenen fins a 10 - 20 µm de profunditat. Per aquest motiu, és habitual eliminar la capa danyada mitjançant un procés de polit.Recentment, ha sorgit l’electropolit en sec per a aliatges metàl•lics, que en redueix els defectes i en millora la qualitat superficial. A diferència de l’electropolit convencional, que utilitza electròlits líquids, aquesta tecnologia empra partícules polimèriques poroses (resines d’intercanvi iònic) amb capacitat d’absorbir un medi electrolític. Aquest mètode elimina material de les irregularitats superficials capa a capa, reduint la rugositat i millorant la qualitat de la superfície.Aquesta tesi desenvolupa un nou electròlit sec específicament per a l’electropolit de WC-Co mitjançant la tecnologia DryLyte®. S’investiguen els mecanismes del procés, s’optimitzen els paràmetres elèctrics i s’identifiquen les reaccions químiques clau. Els resultats demostren que aquest procés elimina defectes superficials, redueix la rugositat i preserva la microestructura del WC-Co, evitant la lixiviació del Co i la fragilització del WC.S’ha realitzat una anàlisi comparativa microestructural i mecànica que ha avaluant mètodes com el rectificat, l’electroerosió, el polit convencional i l’electropolit en sec. Tot i que el rectificat i l’electroerosió són comuns, generen defectes com microesquerdes, porositat i òxids perjudicials. El polit convencional millora la rugositat, però elimina centenars de micres de material, i per tant redueix les tensions residuals de compressió, i conseqüentment el rendiment mecànic. En canvi, l’electropolit en sec elimina la capa deformada amb precisió, n’allisa la superfície entre fases constitutives i en conserva les tensions residuals beneficioses.També s’han explorat aplicacions industrials com la preparació del radi de tall en eines de fresat de WC-Co. Estudis previs confirmen que una preparació òptima del tall incrementa la vida útil de l’eina. Aquest treball demostra que l’electropolit en sec afina el radi de tall i els paràmetres microgeomètrics, redueix la rugositat i elimina defectes de fabricació. S’estableix una correlació directa entre el temps de polit i els paràmetres microgeomètrics, amb canvis ràpids inicials (tres primers minuts), seguits d’una estabilització.A més, s’ha investigat l’eliminació de recobriments de TiAlN/TiSiN en substrats de WC-Co per prolongar-ne la vida útil i reduir costos. Aquest procés elimina el recobriment amb precisió, deixant una capa superficial d’òxid sense comprometre la microestructura del substrat. S’observa una relació lineal entre el temps de polit i el gruix del recobriment restant, garantint un mètode controlable, homogeni i eficaç.

Tribunal:
     PRESIDENT: GINER MARAVILLA, EUGENIO
     SECRETARI: RAMÍREZ SANDOVAL, GISELLE
     VOCAL: MAIMÍ VERT, PERE
Resum de tesi: En aquesta tesi, el comportament mecànic del metall dur de carbur de tungstè-cobalt (WC-Co), un composite multifàsic, s'investiga a fons mitjançant tècniques de modelatge computacional. Primer, la tesi se centra en la petita escala, on l'assemblatge i la constitució dels constituents no només són clarament visibles i discernibles, sinó que també juguen un paper important en el comportament mecànic. Després, es tenen en compte els factors estocàstics que afecten la resistència de les mostres a petita escala. Finalment, la tesi se centra en la gran escala, mitjançant la implementació d'un model que connecta les propietats a petita i gran escala en un únic marc.En la primera etapa del treball, s'utilitzen dades publicades sobre (1) nanoindentació en partícules de WC i la matriu de Co; (2) assajos de tracció en nanofils (NWs) fabricats amb metalls durs WC-Co; i (3) assajos de compressió en micropilars fabricats amb metalls durs WC-Co per al desenvolupament d'una metodologia numèrica. Per fer-ho, es desenvolupa un nou marc computacional que inclou dos models constitutius de microplà diferents desenvolupats per a les fases WC i Co per separat. Per a la matriu de Co, es desenvolupa el model de plasticitat J2 de microplà, anomenat MPJ2, mentre que per a les partícules de WC, s'utilitza una versió modificada del model de microplà M7, anomenada M7WC. Pel que fa a les malles de simulació, s'utilitza una representació 3D realista completa, derivada de reconstruccions tomogràfiques experimentals de dos graus de metall dur WC-Co. Després d'optimitzar els paràmetres dels models MPJ2 i M7WC amb dades experimentals, les prediccions d'elements finits (FE) no només confirmen les extenses observacions experimentals, sinó que també proporcionen una major comprensió del comportament mecànic d'aquests composites.En la segona etapa de la tesi, s'aborden incerteses significatives en el comportament mecànic dels metalls durs WC-Co a nivell de mostres petites. Aquestes sorgeixen a causa de factors com l'aleatorietat intrínseca de la microestructura i la possible existència de defectes. S'utilitza un mètode d'elements finits estocàstic (SFEM) juntament amb els models deterministes, M7WC i MPJ2, introduint aleatorietat controlada en alguns dels paràmetres d'aquests models. Les malles es mostregen a partir d'una tomografia existent d'un grau de WC-Co utilitzant LHS. Els resultats capturen eficaçment la distribució de resistència d'aquests composites ceràmico-metàl·lics a petita escala sota tensió.Finalment, en la tercera part de la tesi, i amb l'objectiu de demostrar que a gran escala les propietats mecàniques també depenen de la microestructura, s'introdueix un nou model constitutiu per al modelatge FE de metalls durs WC-Co a gran escala, servint efectivament com un enfocament multiescala. Conegut com el model de microplà per a metalls durs (MPHM), el model es calibra utilitzant dades d'assaigs de tensió-deformació obtingudes sota tensió i compressió uniaxial de mostres amb diferents mides de gra i continguts de cobalt. Un cop calibrat, el model amb paràmetres fixos s'empra per predir dades experimentals addicionals d'assaigs de tensió uniaxial, compressió uniaxial i flexió en quatre punts obtingudes de la literatura. El model demostra un alt nivell de precisió en la predicció de dades experimentals en un ampli rang de fraccions de pes de cobalt (3 a 27% en pes) i mides de gra de WC (0,35 a 1,85 μm). El model requereix només quatre constants de material comunament disponibles com a entrades: contingut de cobalt, mida de gra, resistència a la compressió uniaxial i resistència a la tracció uniaxial. En poques paraules, es desenvolupa un model per al comportament a gran escala d'una àmplia gamma de graus de WC-Co on només es necessiten com a paràmetres d'entrada propietats del material fàcilment mesurables.