Materiales

Una de las variables más importantes en la solución de impresión 3D, son los materiales.

Cada día nos encontramos en la red, noticias sobre nuevos materiales y/o modificaciones de los ya existentes y sus correspondientes aplicaciones y aplicativos.

La regulación de un material requiere su tiempo y sus procedimientos. Es importante por lo tanto asegurarse que este material esta debidamente regulado, no nos vayamos a encontrar un problema no deseado en ultima instancia

Elección del material adecuado

Cada proyecto tiene unas características determinadas y requerirá un material especifico que satisfaga esta necesidad en un marco regulatorio sectorial en el cual tiene que ser aplicado.

A su vez, cada tecnología de Impresión 3D requiere de un material especifico y determinado.

En función de la necesidad a cubrir mediante un proceso de fabricación aditiva determinaremos la implementación de una tecnología u otra. Para definir esta tecnología es necesario haber realizado antes una consultoría estratégica de impresión 3D.

A continuación detallamos una tabla con las diferentes tecnologías en el mercado, sus respectivos materiales compatibles y la tipología en la que las diferentes capas son usadas para crear las piezas.

TipoTecnologíasMateriales
ExtrusiónModelado por
deposición fundida
(FDM)
Termoplásticos (por ejemplo
PLA, ABS), HDPE, metales
eutécticos, materiales comestibles
HiladoFabricación por haz
de electrones (EBF3)
Casi cualquier aleación
GranuladoSinterizado directo
de metal por láser (DMLS)
Casi cualquier aleación
Fusión por haz de
electrones (EBM)
Aleaciones de titanio
Sinterizado selectivo
por calor (SHS)
Polvo termoplástico
Sinterizado selectivo
por láser (SLS)
Termoplásticos, polvos
metálicos, polvos cerámicos
Proyección
aglutinante (DSPC)
Yeso
LaminadoLaminado de capas
(LOM)
Papel, papel de aluminio,
capa de plástico
FotoquímicosEstereolitografía
(SLA)
fotopolímero
Fotopolimerización
por luz ultravioleta
(SGC)
fotopolímero

Mercado estable

El mercado es altamente dinámico pero muy estable.

El gran capital esta fluyendo por su venas a una velocidad notoria. Nos encontramos con una situación de mercado muy interesante, ya que crece a una tasa anual del 28 % y la proliferación de patentes y nuevas adaptaciones y mejoras tecnológicas están convergiendo en un gran numero de soluciones de impresión 3D.

La oferta es muy amplia, fruto de una demanda que ha dejado de ser latente para ser una realidad incuestionable, pues nuestros clientes demandan productos personalizados al mismo precio que un producto de masa.

El cliente tiene el poder

El cliente tiene el poder y lo que pide es personalización. Y por supuesto, el mercado se lo va a dar. Y aquí es donde entra de manera importante la fabricación aditiva o impresión 3D, a todos los niveles: multisectorial, transversal y global.

Toda esta situación, afecta al mercado mundial de materiales pues su elasticidad es altamente sensible ante el incremento de la demanda & inversión.

Por lo tanto, podríamos asegurar firmemente que existe una absoluta revolución en el desarrollo del mercado de materiales, incrementadose la oferta exponencialmente.

Nuevos materiales

A los ya tradicionales:

Termoplásticos, fotopolímeros, aleaciones, polvos,etc,…

Nos encontramos con nuevos materiales llamados a revolucionar sus respectivos sectores como son:

Bio tintas, materiales textiles, nuevas aleaciones, materiales orgánicos y biodegradables, materiales nutricionales, vidrio,etc….

Cada día aparece una nueva aplicación de un material o tecnología.

Repasamos algunos de los materiales más tradicionales de impresión 3D hasta el momento:

LOS TERMOPLÁSTICOS

Un termoplástico es un material que a temperaturas relativamente altas, se vuelve deformable o flexible, se derrite cuando se calienta y se endurece en un estado de transición vítrea cuando se enfría lo suficiente.

La mayor parte de los termoplásticos son polímeros de alto peso molecular.

ABS ( Acrilonitrilo Butadieno estiremo )

Material muy implantado en la industria de la Impresión 3D, principalmente mediante la tecnología FDM.

También es aplicable en procesos de estereolitografía y polyjet, mediante derivados del ABS, en forma líquida.

Es un termoplastico muy resistente al impacto.

Actualmente es muy utilizado en automoción y muchos otros sectores de aplicación industrial y domestico.

Se funde entre 200 y 250 ºC y puede soportar temperaturas muy bajas ( -40º ) y muy elevadas ( 80 º C ).

Es reutilizable y puede ser soldado con procesos químicos.

Es muy combinable con otros plásticos en forma de aleaciones.

Como inconvenientes, podríamos argumentar que no es biodegradable y se encoge en contacto con el aire, de manera que es conveniente precalentar la plataforma de impresión con el fin de evitar el despliegue de las piezas.

Propiedades Físico Mecánicas:

Alargamiento en la rotura (%)45
Coeficiente de fricción0,5
Módulo de tracción (GPa)2,1-2,4
Resistencia a la tracción (MPa)41-45
Resistencia al impacto Izod (J/m⁻¹)200-400
Absorción de agua en 24 horas (%)0.3-0.7
Densidad (g/cm³)1,05
Resistencia a la radiaciónAceptable
Resistencia a los ultravioletasBaja

Aún siendo una tecnología relativamente económica para piezas de tamaño medio, es muy utilizada también para piezas grandes ya que permite realizar estas piezas huecas, con el consiguiente ahorro de material. Además, es un material que se trabaja perfectamente por lo que permite hacer grandes piezas en trozos y pegarlas entre sí.

Una de las características más interesantes de este material es que se le pueden aplicar muchos tipos de acabados para obtener piezas de gran calidad superficial. Por ejemplo se pueden pulir y pintar e incluso cromar ya que el plástico ABS lo permite al ser conductor de la electricidad. Para este tipo de procesos, es necesario previamente dar un pulido a los prototipos, para eliminar las marcas ocasionadas por los saltos entre capas propias de la tecnología.

PLA ( Acido Polilático o Poliacido Láctico )

Es un polímero constituido por moléculas de acido láctico, con nombre químico ( ácido 2-hidroxipropanoico ).

Sus propiedades son muy parecidas a las del tereftalato de Polietileno ( PET ), muy utilizado para la producción de envases, con la salvedad que el PLA es biodegrable y el PET no lo es.

Es un termoplástico que se obtiene a partir del almidón de maíz, principalmente.

Es apto para contener alimentos, por eso es utilizado en gran medida en la industria de distribución alimentaria.

Es importante diferenciar entre el PLA normal y el flexible, pues requieren condiciones diferentes.

Material muy implantado en la industria de la Impresión 3D, principalmente mediante la tecnología FDM.

El Pla es mayormente conocido por su facilidad de impresión, lo que le hace ser uno de los primeros materiales con los que los consumidores empiezan a emprimir en 3D, incluso sin tener mucha idea.

Características:

-El rango de temperatura de impresión está entre (180-220)ºC. La temperatura a la cual se debe imprimir, debe estar entre las dos; aunque la temperatura óptima de impresión (depende de cada extrusor), suele estar entre (198-210)ºC.

-Presenta una resistencia mecánica baja, es decir, se trata de un material frágil a la vez que duro. Esto implica que, una vez impresa la pieza no es muy aconsejable realizar tratados mecánicos sobre ellas (taladros, lija,…). No obstante, se pueden realizar con sumo cuidado y sin aplicar demasiado esfuerzo sobre las mismas.

-En referencia a la temperatura, cualquier objeto o pieza impresa en PLA se vuelve endeble a temperaturas entorno a (60-70)ºC.

-Según sea la marca del filamento, este puede presentar un aspecto translúcido u opaco. El paso de la luz a través de la pieza se reduce cuando el grosor de la misma va aumentando.

Los PLAs translúcidos poseen un determinado brillo cuando la luz incide sobre el material.

-Menos contracción entre capas. Esto permitirá que no se produzca el “ efecto warping “ o que las capas intermedias-altas se agrieten por mala adhesión entre ellas ”todo lo contrario al ABS “.

-Más de un cambio de fase cuando este material se calienta, manteniendo un estado más líquido que otros materiales.

Por lo tanto, la impresora 3d en la que se vaya a imprimir el PLA, no necesita cama caliente, puesto que, este material una vez fundido a su temperatura, se encuentra en estado más líquido que otros materiales. Esto implica menos contracción entre capas, y por lo tanto, no necesita un aporte extra de calor para conseguir una buena adherencia entre capas.

En el caso de poseer la impresora 3d cama caliente, es aconsejable que su cama se encuentre a temperaturas bajas (30-50) ºC, o incluso 70 ºC “piezas grandes”.

-Un olor más agradable y no tóxico, puesto que, como ya se ha mencionado anteriormente, el PLA se fabrica a partir de maíz. Esto lo hace ideal para impresiones en hogares y sobre todo en entorno frecuentados por muchas personas.

Inconvenientes:

-Es mucho más frágil que el ABS.

-Al igual que el ABS, es un filamento higroscópico, es decir absorbe la humedad de la atmósfera. Debiendo ser almacenado en un recipiente con una tapa y alguna forma
de desecante para mantener el aire interior seco.

-Otra principal desventaja es su escasa resistencia térmica ( 60-70 ) º C. Esto hace que sea poco útil para aquellas piezas que requieran soportar temperaturas altas.

Poliamidas

Compuesto químico orgánico formado mediante una reacción química que le confiere un elevado punto de fusión.

El Nylon es el tipo más conocido de Poliamida.

Los objetos en poliamidas son generalmente fabricados a partir de un polvo fino, granuloso y blanco utilizando la tecnología de Sinterizado Selectivo por Láser ( SLS ).

Algunas familias de este material, como el nylon, se presentan en la forma de filamento y se utilizan con la técnica de modelado por deposición fundida (FDM).

Gracias a su biocompatibilidad, como el PLA, las poliamidas pueden ser utilizadas para fabricar piezas en contacto con alimentos (menos aquellos que contienen alcohol), y al contrario del PLA y el ABS, las superficies logran ser más lisas sin efecto de ondulación.

Al estar constituido de estructuras semi-cristalinas, este material presenta un buen equilibrio entre sus características mecánicas y químicas, de donde vienen su estabilidad, rigidez, flexibilidad y resistencia a los choques.

Estas ventajas dan paso a una amplia gama de aplicaciones y a un alto nivel de detalle.

Su alta calidad es utilizada, por ejemplo, para la fabricación de engranajes, piezas para el mercado aeroespacial, automóvil, la robótica y las prótesis médicas para los moldes de inyección.

Existen multiples aleaciones de Poliamidas en el mercado, dotando a la poliamida base de cargas de materiales que le dan atributos específicos necesarios para determinados procesos: fibra de vidrio, aluminio ( alumide ) , carbono, etc,…

Las posibilidades de combinación son amplias.

Alumide

Los objetos en alumide son fabricados a partir de una combinación entre poliamidas y aluminio en polvo utilizando la tecnología de sinterización selectiva por láser (SLS).

Con una gran superficie ligeramente porosa y un aspecto arenoso y granulado, este material ofrece una gran solidez y una alta resistencia a la temperatura (172°C máx.) y a los choques con una cierta flexibilidad.

Los prototipos realizados mediante sinterizado de poliamida tienen buenas características mecánicas para realizar ensayos funcionales en montajes, zonas de clipajes, esfuerzos de impacto, etc…

Asimismo, son piezas que tienen buenas resistencias a productos químicos y una resistencia a la temperatura interesante, por lo que se suelen fabricar piezas cercanas del motor para realizar ensayos funcionales de funcionamiento del mismo.

Sin embargo, algunos post-tratamientos son generalmente necesarios, como el rectificado, lijado, revestimiento y fresado, por ejemplo.

El alumide es utilizado para modelos complejos, piezas de diseño o para pequeñas series de modelos funcionales, que necesiten de una alta rigidez y de un aspecto cercano al aluminio.

Polipropileno

Termoplástico muy utilizado en el sector automóvil, para los empaques, los textiles profesionales desechables, y en la fabricación de cientos de objetos cotidianos.

El polipropileno (PP) es conocido por su resistencia a la abrasión y a su capacidad de absorber los choques, además de una relativa rigidez y flexibilidad.

Uno de los inconvenientes es su baja resistencia a la temperatura y su sensibilidad a los rayos UV, razón por la cual varios fabricantes de impresoras han desarrollado derivados de este material, los simili-propilenos, con el fin de reforzar sus propiedades físicas y mecánicas.

Resinas

Las resinas se dividen en termoplásticas y termosolidificantes (polimerización) y constituyen el material base de varias tecnologías como la estereolitografia (SLA) y la tecnología Polyjet.

Merece ser muy destacado los materiales compuestos de la tecnología Polyjet, llamados Materiales Digitales.

Los materiales digitales amplían las posibilidades mezclando dos o tres resinas base para crear casi 1000 materiales composite con propiedades específicas y predecibles.

Consiguiendo una gama de tonalidades, traslucencias, valores Shore A y otras propiedades que proporcionan a los prototipos de un realismo de producto final, verdaderamente, excepcional.

Muy utilizados en el ámbito medico y dental, pues ofrecen un detalle y una precisión asombrosa, además de propiedades necesarias como la biocompatibilidad.