Guía de materiales para impresión 3D: los compuestos

Fuente: 3dnatives.com

Los materiales compuestos nacen de la unión de al menos dos materiales diferentes. Uno actúa como matriz y tiene el propósito de mantener la estructura, mientras que el otro aporta propiedades adicionales como material de refuerzo. El objetivo de un material compuesto es añadir propiedades adicionales al material base y, si es necesario, neutralizar sus propiedades críticas. Al añadir las propiedades del respectivo material de refuerzo al material base, este último obtiene mejores propiedades mecánicas, un color diferente, resistencia a la llama, estabilidad, capacidad de carga, etc. Los materiales compuestos se distinguen globalmente por sus características materiales (metálicas, minerales, cerámicas, orgánicas) o por su geometría. Según las propiedades geométricas, se distinguen en:

• Compuestos particulados
• Compuestos de fibra (cortas, largas o continuas)
• Compuestos estratificados y estructurados

Los compuestos de fibra son especialmente comunes. Probablemente el más extendido en el mercado es la fibra de carbono, seguido de la fibra de vidrio, que es otro de los más utilizados en la fabricación aditiva.

Propiedades de los materiales compuestos en la impresión 3D

Los materiales reforzados para la fabricación aditiva suelen estar basados en nailon, pero también en ABS, PLA, PC y PETG. Actualmente, los compuestos más utilizados en la impresión 3D son la fibra de carbono, la fibra de vidrio y la fibra aramídica Kevlar (PPD-T). Estos materiales ofrecen ventajas para la fabricación de piezas ligeras pero resistentes. Para funciones estéticas, también se pueden encontrar fibras de madera, partículas cerámicas y fibras vegetales en combinación con el PLA. Como ya se ha mencionado, existen diferentes tipos de refuerzos: fibras cortas, largas o continuas. En el primer caso, las fibras cortas, constituidas por segmentos de longitud inferior a un milímetro, se mezclan con los termoplásticos convencionales para aumentar la rigidez y la resistencia de los componentes.

Las mejores prestaciones provienen del refuerzo con fibras continuas. El proceso de creación de piezas con compuestos de fibra continua no es tan sencillo como el de los compuestos de fibra corta porque las fibras deben integrarse en el termoplástico de forma continua a medida que este se extruye. Las fibras también pueden colocarse siguiendo técnicas de diseño que optimizan la relación peso-resistencia de una pieza y el consumo de material, también conocidas como técnicas DfAM (Design for Additive Manufacturing). Gracias al refuerzo con fibras continuas es posible crear piezas tan resistentes como el metal.

Una pieza impresa en 3D empleando un refuerzo de fibras de carbono, con una mayor relación peso-resistencia y un menor consumo de material

Tecnologías de impresión 3D que utilizan compuestos

En la fabricación aditiva, los materiales compuestos se presentan principalmente en forma de filamentos y, por lo tanto, se utilizan mayoritariamente en la impresión FDM. Sin embargo, también se están abriendo camino enfoques para compuestos metálicos en el proceso láser, como el LPBF. Por ejemplo, Fraunhofer ha desarrollado un proceso para utilizar la soldadura por láser (LMD) con compuestos metálicos. Esto subraya la tendencia de la fabricación aditiva de compuestos a ganar terreno en el mercado y se prevé que, en el futuro, otras tecnologías permitan la impresión 3D de compuestos.

Esencialmente, las tecnologías de impresión 3D de compuestos se diferencian según el tipo de compuesto utilizado. Los compuestos de fibra corta pueden extruirse con el proceso FDM convencional, ya que el filamento ya contiene la fibra. Además, la calidad de impresión puede verse afectada por la cantidad de fibras trituradas en la matriz. Los compuestos de fibra corta refuerzan uniformemente toda la pieza. Sin embargo, por encima de un cierto umbral, la pieza impresa en 3D pierde calidad superficial. Por otro lado, la impresión 3D de fibra continua es un proceso más complicado que requiere dos boquillas para imprimir simultáneamente. Por lo general, una boquilla extruye el termoplástico y la otra la fibra. Una impresora que hace esto posible es la Markforged Mark Two. Esta última inserta materiales de fibra larga en las piezas que crea mediante el proceso FDM. De esta forma, las piezas se refuerzan solo donde es realmente necesario y deseado.

A la izquierda se pueden ver las fibras cortas, compuestas por segmentos de menos de un milímetro. A la derecha, el filamento reforzado con fibras cortas.

En la impresión 3D FDM con materiales compuestos, a menudo es necesaria una boquilla de mayor diámetro. Normalmente, el fabricante especifica qué configuración se debe realizar. Para la fibra de vidrio, la boquilla debe ajustarse a un diámetro de al menos 0,6 mm; para la fibra de carbono, a 0,4 mm; y para el kevlar se empieza con 0,6 mm y luego se reduce gradualmente a 0,4 mm. Si el compuesto contiene partículas de madera, es necesario ajustar el diámetro entre 0,6 mm y 0,8 mm.

Además, debe tenerse en cuenta que los filamentos compuestos pueden causar un mayor desgaste del hotend, los tubos y los componentes del extrusor. Para evitar esto, se recomienda utilizar boquillas templadas, especialmente para los filamentos de carbono, vidrio y kevlar. También es importante colocar correctamente la bobina durante la impresión para optimizar el recorrido hacia el extrusor de modo que no sea demasiado largo. Además de estas precauciones, debido a la mayor viscosidad de los filamentos compuestos, es necesario reducir la velocidad de impresión y no utilizar la velocidad del material base. No obstante, los materiales compuestos ofrecen la ventaja de casi no contraerse al enfriarse y, por tanto, tienen menos probabilidades de causar errores de impresión como la deformación.

El cuadro de bicicleta de AREVO se creó utilizando la impresión 3D de fibra continua | Créditos: AREVO

Aplicaciones de los materiales compuestos

Poder imprimir con materiales de refuerzo ha sido el objetivo de numerosas empresas emergentes en el sector de la impresión 3D. En los últimos años hemos visto el lanzamiento al mercado de un número creciente de máquinas y tecnologías para habilitar nuevas aplicaciones, especialmente en sectores industriales como el aeroespacial y el automotriz. Como ya se ha mencionado, la fibra de carbono es uno de los materiales compuestos más utilizados en la impresión 3D, sobre todo para aplicaciones exigentes como prototipos funcionales, piezas de automóviles y componentes resistentes pero ligeros. Como resultado, los compuestos de fibra de carbono también se están volviendo cada vez más populares en el sector deportivo. Los atletas de élite utilizan el carbono para crear bicicletas más ligeras y, por tanto, más rápidas. Estas ventajas también se aprovechan en la Fórmula 1, en el sector automotriz e incluso en deportes como el tenis y el remo.

El mercado de los materiales compuestos está en crecimiento y nuevas combinaciones de materiales permitirán nuevas aplicaciones. Los materiales de ingeniería están explorando el uso de componentes de refuerzo aditivos. En China, los investigadores han estudiado las ventajas de añadir fibras de carbono a materiales termoplásticos de altas prestaciones como el PEEK, mientras que Sandvik creó el primer compuesto de diamante en 2019. Normalmente, no es posible utilizar el diamante en la fabricación aditiva porque es demasiado duro. Sin embargo, al crear un compuesto de diamante, las propiedades del material pueden utilizarse para muchas herramientas duras (extracción, perforación o mecanizado) e incluso para implantes médicos.

El diamante compuesto creado por Sandvik

Fabricantes de filamentos compuestos e impresoras 3D

Obviamente, los materiales compuestos suelen ser más caros que los materiales estándar. Sin embargo, los precios varían según el fabricante y el compuesto utilizado. El precio de una bobina varía de 150 a 500 euros. Un material compuesto también requiere una impresora con propiedades especiales para su uso. Dichas impresoras suelen estar equipadas con una tecnología propia, descrita y comercializada de manera diferente por los fabricantes. Markforged, por ejemplo, ha desarrollado la tecnología CFF (Continuous Carbon Fiber) para las impresoras de compuestos que ofrece. Anisoprint la ha denominado CFC (Continuous Fiber Coextrusion). Un nombre conocido que se añade a la lista de impresoras para compuestos es Stratasys. Con las impresoras 3D F190 CR y F370 CR, Stratasys ha ampliado la serie F123 para ofrecer impresoras compatibles con materiales compuestos, especialmente aquellos de alta rigidez y resistencia.

Otra tecnología interesante es la patentada por AREVO. Se basa en la técnica de deposición de energía dirigida, que utiliza un láser para calentar simultáneamente el filamento y la fibra de carbono mientras un rodillo los presiona juntos. La empresa suiza 9T Labs, por ejemplo, ha desarrollado un sistema complementario para las impresoras 3D normales que permite la impresión 3D de materiales compuestos. Este proceso de impresión 3D se llama AFT (Additive Fusion Technology). Por último, Continuous Composites utiliza una tecnología híbrida en la que el hilo de fibra se impregna de resina y luego se cura con luz UV, de forma similar a la impresión 3D SLA.

El software de Anisoprint puede generar diversos tipos de rellenos reforzados con fibras continuas

Entre los fabricantes de filamentos compuestos también se encuentran nombres conocidos. Markforged ofrece compuestos de fibra de vidrio y Kevlar. Owens Corning también es conocida por sus materiales reforzados con fibras de vidrio. Formfutura, BASF y XYZPrinting también han añadido filamentos compuestos a su gama. Entre los compuestos de fibra corta, destacan los fabricantes de filamentos Roboze, 3DXTech y ColorFabb.