El material adecuado para su aplicación específica de fabricación aditiva mejora significativamente las características de la impresión.
El material adecuado para su aplicación específica de fabricación aditiva mejora significativamente las características de la impresión. CEAD Group no solo desarrolla y suministra soluciones de impresión a gran escala, sino que también asesora a las organizaciones sobre el uso del material adecuado. Este artículo le guía a través del proceso de selección del material adecuado para su impresión 3D. El número de materiales disponibles aumenta constantemente, ¿cómo se determina el mejor material para su aplicación?
MATERIALES TERMOPLÁSTICOS FRENTE A TERMOENDURECIDOS
Este artículo está dirigido a la impresión 3D a gran escala. Para la impresión de tamaño medio y de escritorio, se utilizan tanto materiales termoplásticos como termoendurecidos. Mientras que para la fabricación aditiva de gran formato (LFAM) los materiales termoplásticos son la única opción viable.
Los polímeros termoplásticos pueden fundirse y remodelarse varias veces. A diferencia de los polímeros termoestables, este tipo de polímero no reticula los enlaces. Los polímeros termoplásticos se unen mediante enredos de cadenas de polímeros, «fuerzas de Van der Waals» y enlaces de hidrógeno. Esta característica hace que los polímeros termoplásticos sean el material perfecto para aplicaciones sostenibles, ya que pueden reciclarse e imprimirse de nuevo.
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1: SELECCIONAR EL TIPO DE POLÍMERO ADECUADO PARA LA IMPRESIÓN
El primer paso en el proceso de selección del material adecuado es seleccionar el polímero base adecuado. Como siempre, la aplicación de la impresión influye en la elección del polímero adecuado. Distinguimos entre impresiones 3D para moldes y herramientas, piezas finales estructurales, piezas finales no estructurales e investigación.
Tomemos el ejemplo de la impresión 3D para moldeo. En caso de que la impresión se utilice como molde para otro proceso, es importante tener en cuenta la temperatura a la que estará expuesto el molde. Seleccionar un polímero que tenga buena estabilidad dimensional a la temperatura de uso prevista es el paso correcto. En aplicaciones de moldeo se utilizan materiales como ABS, PC y PEI, cada uno con su propio límite de temperatura de uso.
Además, deben tenerse en cuenta otros aspectos medioambientales. En el caso de una aplicación que implique agua, como un barco impreso, debe seleccionarse un material que no se deteriore cuando se exponga al agua. Las poliolefinas como el PP y el HDPE son conocidas por su baja absorción de agua. Además, los polímeros que absorben un poco de humedad, como el PETG, pueden seguir siendo estables en el rango de temperatura de funcionamiento esperado.
Una consideración final es la exposición de la impresión a productos químicos que pueden atacar el material polimérico. Se trata de casos particulares, como en los sellos industriales o en las aplicaciones aeroespaciales, en los que puede producirse el contacto con fluidos hidráulicos agresivos. Los polímeros con esqueletos aromáticos como el PPS, el PEEK y el PEKK son conocidos por su excelente resistencia a los productos químicos.
1.1 SEMICRISTALINO VS AMORFO
Las dos familias principales de polímeros termoplásticos son los polímeros semicristalinos y los amorfos. Cuando se enfrían desde un estado fundido, los polímeros semicristalinos forman áreas donde las cadenas de polímeros se orientan de forma ordenada y forman cristalitos. Estos cristalitos están rodeados de material amorfo orientado aleatoriamente. La cantidad de material que se encuentra en estado cristalino después de ser procesado se denomina grado de cristalinidad (DoC).
En general, los materiales poliméricos que poseen las dos características siguientes son semicristalinos. En primer lugar, deben tener un orden de unidad de repetición constante en su cadena principal. Además, los grupos laterales de su cadena principal deben ser relativamente pequeños. Ejemplos de materiales poliméricos que cumplen estas dos propiedades son: PP, PLA, PA6, PPS, PEEK.
En el otro extremo del espectro se encuentran los materiales amorfos. Estos polímeros no forman cristales al enfriarse. Además, sus cadenas poliméricas permanecen orientadas aleatoriamente, a diferencia de las estructuras cristalizadas de los polímeros semicristalinos. Los materiales poliméricos que pueden tener los monómeros de su cadena principal ordenados aleatoriamente, o que tienen grupos laterales relativamente grandes, son generalmente amorfos. Ejemplos de propiedades amorfas son el ABS, el PETG, el PC y el PEI.
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PROCESAMIENTO DE POLÍMEROS SEMICRISTALINOS VS POLÍMEROS AMORFOS
Para ilustrar más sobre las diferencias de procesamiento entre polímeros amorfos y semicristalinos, se dan dos ejemplos:
En la fabricación aditiva de gran formato, los polímeros semicristalinos son un poco más difíciles de procesar. Al enfriarse una impresión, el grado de cristalinidad del material cambia. Dado que la fracción cristalina del material tiene una densidad diferente a la de la fracción amorfa, se producen tensiones internas en el material que hacen que la estructura impresa se deforme y se tuerza.
Además, al aplicar una gota de material polimérico recién impresa sobre una capa ya impresa, la interfaz de la gota nueva y la antigua deben fundirse para permitir suficiente movilidad de la cadena polimérica y lograr una unión adecuada de las capas. Los cristalitos del material semicristalino requieren mucha más energía para fundirse que los del material amorfo. Esta energía adicional necesaria en el proceso de unión solo puede ser aportada por la gota recién impresa, que por lo tanto debe imprimirse a una temperatura relativamente alta.
1.2 MATERIALES ELASTOMÉRICOS
Otro tipo de materiales termoplásticos son los materiales elastoméricos o elastómeros. Los elastómeros son un tipo de polímero que tiene la capacidad de estirarse y volver a su forma original. Esto es comparable a una banda de goma.
Este grupo de plásticos elásticos se refiere a los cauchos: sustancias naturales o sintéticas que tienen la capacidad de integrar la elasticidad del caucho en un objeto impreso. Los elastómeros suelen tener una gran flexibilidad y, por tanto, una baja rigidez. Aunque las extrusoras de CEAD pueden imprimir materiales elastoméricos, imprimen casi exclusivamente con polímeros termoplásticos.
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2: TIPO DE GRADO
Tras seleccionar el polímero base adecuado, es posible que descubra que existe una variedad de grados del mismo polímero. Los proveedores suelen ofrecer varios grados diferentes, optimizados para determinados usos o procesos. Al seleccionar un grado de polímero, se deben tener en cuenta al menos dos factores:
VISCOSIDAD
La viscosidad del material a la temperatura de fusión es fundamental para el éxito de la impresión 3D de baja fusión. Cuando la viscosidad es demasiado baja (acuosa), el material no mantendrá la forma del cordón de extrusión, sino que fluirá y no se podrá imprimir ninguna estructura. Cuando la viscosidad es demasiado alta (mantequilla de cacahuete), las cadenas de polímero del cordón no tendrán suficiente movilidad para lograr una unión adecuada con la capa anterior de material.
VELOCIDAD DE CRISTALIZACIÓN
Como ya se ha mencionado, los materiales semicristalinos son más difíciles de procesar. Los grados que cristalizan rápidamente (diseñados para procesos con un tiempo de ciclo corto y, por tanto, una alta tasa de enfriamiento) alcanzarán rápidamente un grado de cristalinidad cercano al máximo alcanzable al enfriarse.
Esto es una desventaja durante la impresión, porque un alto grado de cristalinidad significa que es necesario añadir mucho calor adicional en la siguiente capa para fundir todos los cristalitos de la capa anterior y lograr una unión adecuada de las capas. En la LFAM se prefieren los grados de cristalización lenta.
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3: MATERIALES REFORZADOS VS VIRGENES
El tercer paso en el proceso de selección de materiales consiste en elegir entre material reforzado con fibra o sin reforzar (virgen). La adición de fibras al material afecta a la capacidad de impresión del material y al rendimiento de la pieza impresa. La presencia de fibras ayuda a mejorar la estabilidad dimensional del material impreso. Los efectos de contracción y alabeo también se reducen cuando se utilizan materiales reforzados. Esto tiene el coste de un ligero aumento de la viscosidad de la masa fundida.
Cabe señalar que los materiales reforzados pueden tener un efecto de desgaste en el barril y el tornillo. Por lo tanto, debe utilizar un barril y un tornillo resistentes al desgaste cuando imprima materiales reforzados. Las extrusoras de CEAD están siempre diseñadas para imprimir materiales reforzados y no reforzados.
Podemos distinguir 3 tipos de fibras de refuerzo: fibras de vidrio, fibras de carbono y fibras de base biológica.
FIBRAS DE VIDRIO
Las fibras de vidrio proporcionan un refuerzo rentable para las resinas de fabricación aditiva. Son el punto medio entre precio y rendimiento y proporcionan una mejora significativa de la rigidez a la estructura impresa.
Otra característica es la baja conductividad térmica de las fibras de vidrio. Tienen una conductividad térmica más baja que las fibras de carbono. Por lo tanto, las impresiones de fibra de vidrio se enfrían un poco más lentamente en comparación con impresiones similares con fibras de carbono.
FIBRAS DE CARBONO
La mayor mejora de las propiedades mecánicas se consigue añadiendo fibras de carbono a los materiales. Las fibras de carbono tienen una resistencia y rigidez excelentes, combinadas con un peso menor que las fibras de vidrio.
Además, las fibras de carbono tienen un bajo coeficiente de expansión térmica (CET), lo que ayuda a reducir la expansión térmica de toda la estructura impresa. Esto es muy ventajoso para aplicaciones como los moldes que se utilizan a temperaturas elevadas.
Las fibras de carbono son las más caras de las fibras de refuerzo y su uso debe justificarse por el campo de aplicación de la pieza impresa.
FIBRAS DE ORIGEN BIOLÓGICO
El último tipo de fibra utilizada en la fabricación aditiva se clasifica como fibras de base biológica. Estas fibras proceden de fuentes renovables y suelen ser biodegradables. Las fibras de base biológica son excelentes para fines sostenibles, pero este tipo de fibras proporcionan menos resistencia en el objeto impreso en comparación con las fibras de vidrio y carbono.
Como la mayoría de los materiales de base biológica, la temperatura máxima del proceso antes de que se produzca la degradación es limitada y el material debe secarse ampliamente.
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4. ADITIVOS
Una vez elegido el refuerzo de fibra adecuado, el proceso de selección puede concluir con el paso final: la consideración de los aditivos del material. Los aditivos se utilizan habitualmente en toda la industria de los polímeros y se añaden a los grados de polímeros para fines específicos. Los aditivos más utilizados son:
- Estabilizadores UV: estos aditivos ralentizan la degradación del polímero cuando se expone a la luz solar. El negro de carbón es conocido por ser un buen estabilizador UV.
- Estabilizadores térmicos: estos aditivos reducen la degradación del polímero cuando se expone a temperaturas elevadas, por ejemplo, durante el proceso de peletización y el proceso de impresión 3D.
- Retardante de llama: estos aditivos limitan la inflamabilidad del polímero. Se utilizan habitualmente en aplicaciones de transporte en las que puede ser necesario un cierto grado de retardancia de llama.
- Aditivos antibacterianos: para aplicaciones en las que la impresión se sumerge en agua. Los aditivos antibacterianos evitan la proliferación de bacterias en la superficie de impresión.
- Aditivos colorantes: al igual que el filamento, los polímeros termoplásticos también pueden colorearse según se desee. Los proveedores de materiales lo hacen mezclando el polímero con un lote de material al que se le ha añadido una cantidad concentrada de pigmentos colorantes, llamado lote maestro.
Por lo general, los proveedores de materiales de impresión 3D tienen una selección de grados con ciertos aditivos disponibles. Los aditivos aumentan el coste de los materiales de impresión 3D, así que seleccione cuidadosamente qué aditivos son necesarios para su aplicación.
CONSEJOS DE CEAD PARA MATERIALES DE FABRICACIÓN ADITIVA
CEAD tiene un amplio conocimiento de los materiales utilizados en la fabricación aditiva y buenos contactos con la mayoría de los proveedores de materiales activos en la industria. Podemos ayudarle a seleccionar el material óptimo para su aplicación de FA utilizando la serie Flexbot o extrusora.