Materiales de impresión 3D de alto rendimiento: PEEK, ULTEM y otros polímeros

Fuente: 3dnatives.com

En los últimos años, los materiales de alto rendimiento se han convertido en un tema muy controvertido en la comunidad de la impresión 3D. En un mundo en constante cambio y adaptación a nuevas tecnologías y materiales, era solo cuestión de tiempo antes de que los polímeros termoplásticos de alto desempeño se distinguieran entre los otros materiales para impresión 3D. El poliariletercetona (PAEK) es una familia de materiales termoplásticos semicristalinos capaces de soportar temperaturas elevadas manteniendo una resistencia excepcional. El PAEK se utiliza principalmente en forma de polieteretercetona (PEEK) y polietercetocetona (PEKK), dos materiales de gran rigidez. Sin embargo, una alternativa mucho más económica, la polieterimida (PEI), también conocida como ULTEM, ha ganado mucha atención porque, debido a su falta de cetona, es mucho más barata. Encuentra aquí todo lo que necesitas saber sobre las familias PAEK y PEI.

Producción y características de los polímeros de alto rendimiento

Lo primero que hay que destacar sobre los polímeros de alto rendimiento es que, aunque comparten características comunes, no todos son exactamente iguales. Dicho esto, en general se puede observar que los materiales termoplásticos de alto rendimiento, y el PEEK en particular, son tan resistentes como el acero y un 80% más ligeros que el metal, lo que los hace extremadamente deseables en el sector de la producción. Además, aparte de su excepcional resistencia mecánica y térmica de hasta 250 °C (482 °F) para funcionamiento continuo, los materiales PAEK también son resistentes a la disolución en aceites y otras sustancias, a diferencia de la mayoría de los demás plásticos. Cuando se exponen al fuego, no liberan casi gases ni humos nocivos.

En realidad, estos materiales llevan más de treinta años en circulación, utilizados principalmente para el moldeo por inyección o para el mecanizado. Al principio, Stratasys era la única empresa que fabricaba impresoras capaces de manejar las elevadas temperaturas requeridas para fundir los polímeros de PAEK y PEI. Sin embargo, con la apertura del mercado, más empresas han tenido la oportunidad de experimentar con estos materiales, lo que ha llevado a una comercialización masiva de sus invenciones. Con el paso del tiempo y el debilitamiento de las barreras de entrada, vemos un número cada vez mayor de empresas que ingresan al sector y comienzan a fabricar impresoras capaces de manejar termoplásticos PAEK.

El PEI fue desarrollado por primera vez por el departamento de plásticos de General Electric a finales de los años 80. En 2007, sin embargo, SABIC, una de las principales empresas públicas de Arabia Saudita, adquirió el departamento y, por tanto, los derechos de la marca ULTEM. Dado que este material es una alternativa más económica al PEEK, generó de inmediato un gran interés desde un punto de vista financiero. Combinado con sus diversas y significativas propiedades físicas, como la resistencia al calor elevado, a los disolventes y a las llamas, la fuerza dieléctrica y la conductividad térmica, es una solución fantástica para numerosos proyectos de ingeniería. ULTEM se ha convertido en el material de primera elección para aplicaciones de ingeniería extremadamente difíciles, generalmente en el sector aeroespacial.

Impresión 3D con polímeros de alto rendimiento

Los polímeros PAEK y PEI se imprimen principalmente con FDM (modelado por deposición fundida) o con SLS (sinterizado selectivo por láser). Teniendo en cuenta las altas temperaturas a las que funcionan estos polímeros, es comprensible que ninguna impresora 3D ordinaria sea capaz de procesar estos filamentos. Una impresora 3D para PAEK/PEI debe tener una boquilla extrusora capaz de manejar temperaturas superiores a los 300°C, punto de fusión de dichos polímeros. Además, la placa calefactada debe alcanzar al menos 150°C para que el objeto pueda desprenderse. Por último, se requieren importantes mecanismos de refrigeración para garantizar el equilibrio térmico correcto en la cámara cerrada.

El post-procesado de materiales de alto rendimiento es un procedimiento necesario. Como en el caso de cualquier pieza compleja impresa con FDM, es necesario un soporte. Sin embargo, cuando se trata de PAEK y PEI, debido a la rigidez del objeto final, retirar el soporte puede ser complicado. En consecuencia, a menudo se utiliza una serie de herramientas para finalizar la post-producción de una pieza.

Por otro lado, cuando se trata de SLS, la pieza se imprime prácticamente a la perfección, sin necesidad de mecanizado extra. No obstante, los fabricantes deben tener en cuenta el fenómeno de la deformación (warping). Después de completar la impresión de un objeto y una vez que la temperatura dentro de la cámara ha descendido, los polímeros tienden a retraerse. Por consiguiente, el PAEK y el PEI se utilizan mucho para la impresión de objetos pequeños, ya que cuanto más grande es la pieza, mayor será el efecto de deformación (warping), aunque esto puede controlarse hasta cierto punto optimizando los parámetros de impresión, como la velocidad y la temperatura.

El uso de termoplásticos de alto rendimiento aún está en fase de perfeccionamiento. Se sigue trabajando en el proceso de producción, que se mejora constantemente. Por ejemplo, como se mencionó anteriormente, una vez impreso un objeto en PAEK, sigue siendo necesaria una elaboración adicional a menudo compleja. Sin embargo, nuevas innovaciones están mejorando constantemente el proceso. Diversas empresas están trabajando actualmente en una solución FDM donde el soporte del objeto se imprima en un material diferente, de modo que pueda eliminarse de manera más sencilla y rápida una vez completada la impresión. Además, otras empresas, como Kimya, han comenzado a centrarse en combinaciones de materiales que permitan aprovechar lo mejor de cada uno. De esta forma, el producto final puede estar, por ejemplo, fabricado en un 70% de PEEK y un 30% de fibra de carbono.

Aplicaciones

Como se puede imaginar, una familia de materiales con un número tan elevado de características y cualidades se utiliza en una variedad de sectores. El sector automotriz comenzó pronto a aprovechar las capacidades únicas del PAEK y el PEI para toda una serie de aplicaciones. Una de las áreas donde el PAEK y el PEI han sido más disruptivos es la de la producción de herramientas rápidas de bajo coste para moldeo por inyección, termoconformado, dispositivos de sujeción y accesorios. Esto permite a las empresas producir un volumen pequeño a mediano de piezas a bajo coste sin tener que invertir en producción a gran escala. Además, la producción de piezas personalizadas es cada vez más demandada, ya que pueden modificarse para adaptarse a ciertos requisitos y soportar cambios complejos para mejorar su estructura.

Al igual que ocurre con otros materiales de impresión 3D, las familias PAEK y PEI se utilizan ampliamente en el campo médico. El PEEK es famoso por su uso en el blindaje de equipos de resonancia magnética (MRI). También se considera un material biológico avanzado empleado en implantes médicos, así como en barras de refuerzo y dispositivos de fusión espinal. El hecho de que sea capaz de resistir agua hirviendo y vapor sobrecalentado lo hace perfecto para objetos que deben ser esterilizados a temperaturas extremadamente altas.

Los termoplásticos de alto rendimiento también se utilizan ampliamente en el sector aeroespacial. La resistencia química, la elevada relación peso-resistencia y el bajo riesgo de incendio, humo y toxicidad hacen que dichos polímeros sean los sustitutos ideales de los metales, utilizados a menudo para partes de aeronaves y piezas de maquinaria. El aislamiento termoacústico, los soportes estructurales, abrazaderas y espaciadores, dispositivos de fijación, conectores y tubos son solo algunos ejemplos de elementos para los que el sector de la ingeniería aeroespacial ha comenzado a utilizar PAEK y PEI, reduciendo a menudo el peso de las piezas en un 70%. Otros sectores que utilizan los materiales de alto rendimiento son: marítimo, nuclear, petrolero y de gas, entre muchos otros.

Principales fabricantes y precio de los materiales de alto rendimiento

Muchas de las grandes empresas químicas se dieron cuenta rápidamente de la relevancia de los termoplásticos de alto rendimiento en el campo de la fabricación aditiva. Como resultado, empresas destacadas como Arkema, Lehmann & Voss y Solvay (por mencionar algunas) se encuentran entre las principales productoras de materiales PAEK. En cuanto al PEI, sin embargo, la marca ULTEM de SABIC es la única disponible por ahora en el mercado.

Respecto a las impresoras capaces de soportar PAEK y PEI, el fabricante chino INTAMSYS ha recibido mucha atención, ya que ofrece una gama de impresoras 3D profesionales y de escritorio. No obstante, la holandesa Tractus3D se está volviendo cada vez más popular, así como el gigante alemán EOS, que ha sacado al mercado la impresora HTLS (sinterizado láser de alta temperatura) capaz de procesar estos materiales.

Dicho esto, como cabría esperar, estos polímeros de alto rendimiento no son baratos. El PEEK, ULTEM y PEKK son algunos de los materiales para impresión 3D más caros disponibles en el mercado. Aunque el ULTEM es una alternativa ligeramente más barata, una bobina de 1 kg de filamento parte de más de 200 dólares y, a menudo, cuesta mucho más dependiendo de la marca y las propiedades del material. El PEEK, por su parte, cuesta a menudo más de 300 dólares y hasta más de 700 dólares por 1 kg de material, mientras que el PEKK cuesta en promedio entre 400 y 500 dólares por la misma cantidad.

No solo eso, sino que si le interesa el filamento, debe tener en cuenta que la impresión no puede realizarse con cualquier impresora. Es necesario invertir en una impresora diseñada para polímeros de alto rendimiento, como se mencionó anteriormente. Estas impresoras son comprensiblemente más caras que un modelo FDM estándar. De hecho, algunas parten de más de 5.000 euros, pero generalmente son mucho más costosas. Sin embargo, a lo largo de los años hemos visto que, con el crecimiento del mercado, también aumentan las opciones a disposición de los consumidores. Quizás en un futuro próximo seamos testigos de una caída en los precios tanto de las impresoras como de los materiales, a medida que las aplicaciones con polímeros de alto rendimiento se extiendan en la fabricación aditiva.