La llegada de la tecnología de impresión 3D FDM (Fused Deposition Modeling) atrajo rápidamente la creciente curiosidad tanto de la industria como de la comunidad de fabricantes y aficionados.
Lo que ha llamado la atención de esta tecnología es la posibilidad de realizar un modelo o prototipo directamente a partir de un archivo CAD, con mayor o menor facilidad en función del material elegido.
El material es un componente importante del diseño, ya que los distintos materiales provocan diferencias considerables en el comportamiento del mismo diseño.
Esta guía está pensada para facilitarte la identificación del mejor material para la impresión 3D FDM de tu proyecto.
Hoy en día, la selección de materiales entre los que se puede elegir para realizar su proyecto de impresión 3D FDM es muy grande. A veces se subdividen según su finalidad de uso o según el costo de €/kg muy diferente entre las diferentes familias.
Veamos primero tres importantes macroáreas de uso:
A continuación, vamos a verlos.
La categoría de consumo incluye filamentos que pueden ser tratados por todas las impresoras 3D de bajo coste del mercado. Son fáciles de imprimir y, al ser los más utilizados, tienen una enorme variedad de colores, acabados y variantes "cargadas" con diferentes rellenos. Por otro lado, tienen propiedades mecánicas bajas o medias que limitan sus posibles aplicaciones y una baja resistencia a la temperatura (por debajo de 60°C) que limita su campo de uso.
El PLA es el polímero más conocido para la impresión 3D FDM por su facilidad de procesamiento debido a las bajas temperaturas de extrusión y a la ausencia de necesidad de utilizar una cama de impresión calentada, así como por su precio por kg que es muy conveniente. Sin embargo, está muy limitado por la temperatura máxima de uso, que es de unos 40°C- 50°C. Por encima de este valor, se produce un evidente reblandecimiento, perdiendo entonces las características geométricas. Un ejemplo clásico de este intervalo de temperaturas es el interior de un coche estacionado al sol.
Esta nomenclatura incluye los filamentos a base de PLA, a los que se añaden aditivos y cargas para mejorar ciertos aspectos del rendimiento estético o la resistencia mecánica y térmica. Lamentablemente, teniendo como base un polímero con bajas propiedades, son mejores en algunos aspectos, pero no se diferencian mucho del polímero base.
El uso del PVB en la impresión 3D FDM se debe a la necesidad y al deseo de vencer las limitaciones tecnológicas de este proceso, que produce piezas con un acabado relativamente áspero. De hecho, el PVB permite su tratamiento posterior sumergiendo el componente en un baño de vapor de disolvente que ataca la superficie de la pieza y redistribuye el material, alisándolo. Se pueden obtener objetos con un acabado brillante y parecido a los componentes producidos por inyección. Por otro lado, las propiedades mecánicas y térmicas de este material son pobres y limitan sus posibles usos.
En los últimos años, el PETG ha emergido como la opción óptima por su facilidad de impresión, similar a la del PLA, aunque con algunos problemas más en la gestión de la retracción debido a la necesidad de una superficie de impresión calentada. Sin embargo, ofrece mejores propiedades térmicas y mecánicas.
Cuando los materiales consumer no satisfacen las necesidades del diseñador, es necesario dirigirse a materiales de mejor rendimiento pero que, en consecuencia, tienen requisitos más estrictos de imprimibilidad. Puede ser necesario utilizar una impresora con una cámara cerrada o una capaz de soportar temperaturas más altas. Además, es necesario contar con una plancha de impresión calentada.
El ABS fue el material estándar utilizado por las impresoras durante el período de desarrollo del proyecto RepRap y luego se abandonó por las dificultades de impresión.
Tiene buenas propiedades mecánicas, mostrando un comportamiento dúctil y una resistencia a la temperatura de hasta 90°C. Se puede alisar mediante un pulido químico gracias a la acción de la acetona, que disuelve y redistribuye el material en la superficie.
Por otro lado, el ASA es un primo cercano del ABS y tiene propiedades similares, pero, a diferencia del ABS, es resistente a los rayos UV y a las condiciones meteorológicas.
Su excelente resistencia al calor y sus buenas propiedades mecánicas lo hacen un material utilizado para la creación de herramientas, soportes y piezas finales en diversos sectores, entre ellos la industria del automóvil. Es un polímero rígido que también puede encontrarse sin colorantes, en una versión transparente con buenas propiedades ópticas.
Una mezcla de dos polímeros diferentes, una combinación de las buenas propiedades de ambos, con buena ductilidad, buena resistencia a la temperatura y al mismo tiempo fácil de fabricar con menos deformaciones que pueden ocurrir durante la construcción de las piezas.
Los materiales flexibles presentan una elongación de rotura muy elevada, así como un módulo de elasticidad bajo. Se caracterizan por una excelente adherencia entre capas y una muy buena resistencia a la abrasión y al deterioro. Sin embargo, requieren sistemas de extrusión ad hoc para manejar adecuadamente el hilo flexible, que tiende a comprimirse y estirarse en la sección anterior a la boquilla durante la impresión.
Utilizado a menudo para aplicaciones en las que está en contacto con los alimentos o la piel, el polipropileno tiene una buena resistencia y estabilidad química, así como una baja densidad. Procesado con tecnología FDM, tiene un comportamiento muy próximo a la isotropía (igual resistencia mecánica en todas las direcciones) con muy buena adherencia entre capas. Sin embargo, las estructuras complejas son muy difíciles de crear, ya que los soportes del mismo material son muy difíciles de manipular y eliminar, y la estabilidad química del material lo hace inadecuado para los soportes solubles.
Por fin, vemos los materiales industriales de alto rendimiento. Tienen propiedades increíbles que desafían y en algunos casos superan las de algunos metales como el aluminio. En cambio, requieren temperaturas de proceso muy elevadas, como la boquilla por encima de 400°C, la plancha a 130°C y la cámara de impresión cerrada y calentada hasta 90°C. Para conseguir resultados positivos, es necesario contar con maquinaria industrial capaz de alcanzar estas temperaturas y garantizar la repetibilidad de las condiciones del proceso.
El nylon PA12, de la familia de las poliamidas, tiene una mezcla excepcional de buenas propiedades mecánicas, con buena resistencia a la tracción y tenacidad combinadas a una buena elasticidad y ductilidad. También tiene una buena resistencia a la temperatura hasta más de 120°C. Por último, tiene una excelente resistencia al deterioro y a la fricción. En cambio, es difícil de procesar correctamente debido a su higroscopicidad (absorción de la humedad del aire) y a su contracción durante la impresión, lo que puede provocar su deformación y separación de la plataforma de construcción.
Con una base excelente de PA12, la adición de una fibra de carbono corta como relleno mejora aún más la resistencia mecánica y térmica, y sólo reduce ligeramente la resistencia al impacto. El módulo de elasticidad aumenta notablemente y es más de cinco veces superior al del material simple. Esto se traduce en componentes muy fuertes y rígidos. También se mantiene la excelente resistencia química a los disolventes e hidrocarburos. La adición de fibra de carbono también ayuda durante el proceso de impresión, ya que estabiliza y reduce la deformación.
El PEEK es un polímero semicristalino de la familia de la poliariletercetonas y es uno de los polímeros de mayor prestación disponibles en forma de filamento para la fabricación aditiva. Tiene propiedades específicas iguales o mejores que algunas aleaciones de metales no ferrosos como el aluminio, como una resistencia a la tracción de unos 100 MPa. Su inconveniente es que es un material difícil de manipular, ya que es muy higroscópico y requiere temperaturas de proceso muy elevadas. Además, los componentes extraídos de la plataforma de construcción son amorfos y de color ámbar, lo que significa que las moléculas internas están dispuestas de forma irregular. Se puede realizar un complejo tratamiento térmico para tener el componente en estado semicristalino, fácilmente reconocible por su color de piel. Aunque el tratamiento térmico mejora las propiedades mecánicas y químicas del material, baja la ductilidad y la resistencia al impacto. La elección del estado está en función de la aplicación final deseada.
Como en la variante añadida de PA12, el PEEK con fibra corta de carbono adicionada mejora sus propiedades mecánicas y la resistencia a la temperatura a expensas de la resistencia al impacto. La temperatura de deflexión aumenta por encima de los 310°C y el módulo elástico se duplica. Todos estos factores conducen a una mayor procesabilidad tanto durante el proceso de impresión como durante los tratamientos térmicos siguientes para la cristalización.
En sus dos variantes Ultem1010 y Ultem9085, se utiliza en aplicaciones aeroespaciales, médicas, de automoción, ferroviarias y militares con certificaciones FST (Fire Smoke Toxicity). Tiene una gran resistencia a las altas temperaturas y es un formidable retardante de la flama. Además, es aún más complejo de transformar que el PEEK porque requiere una temperatura de procesamiento aún más alta.
Los materiales de soporte permiten la fabricación de componentes con características geométricas que serían imposibles de producir sin ellos, permitiendo al mismo tiempo su fácil eliminación, a menudo por disolución.
El PVA y el BVOH son totalmente solubles en agua y son compatibles con una gran variedad de materiales.
El HIPS es un soporte " break-away ", que permite una fácil extracción en los componentes hechos de ABS, ASA, PC, etc. Sólo puede disolverse con un disolvente llamado limoneno.
Por su facilidad de impresión, su gran variedad de acabados y su bajo coste, el PLA sigue siendo el material elegido por la comunidad de makers para muchos prototipos conceptuales. Permite tener las primeras copias en poco tiempo para hacerse una idea de las dimensiones y geometrías y probar las dimensiones/montajes generales. Sin embargo, tiene unas propiedades mecánicas y térmicas muy bajas.
El nylon PA12 con la adición de fibra de carbono se ha revelado como una excelente solución tanto para los prototipos funcionales como para los componentes finales, debido a sus excelentes propiedades mecánicas y térmicas y a la posibilidad de un bonito acabado post-procesamiento. Aunque está limitado por su mayor coste y sus requisitos de impresión, es una excelente opción para un gran número de aplicaciones.
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Si los requisitos de impresión y el costo no son un problema y la aplicación exige sus propiedades, el PEEK es la elección casi obligada para contar con la libertad de diseño que ofrece la fabricación aditiva junto con un polímero que tiene propiedades superiores a las de algunas aleaciones no ferrosas. Es sin duda la elección para prototipos funcionales de alto grado utilizados en entornos térmicos y químicos exigentes.
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La elección del material adecuado es una etapa de diseño importante del proyecto. En base a los requisitos de diseño, el entorno de trabajo y las situaciones de estrés de la pieza, se debe buscar el compromiso adecuado ofrecido por la gama actual de materiales.
A continuación, se indican los principales factores que hay que tener en cuenta a la hora de elegir el material.
Resistencia mecánica: es la propiedad más fácil de entender y la que primeramente reduce el campo de elección del material para nuestro prototipo. Es conveniente tener un coeficiente de seguridad y no limitarse a utilizar el valor máximo de la carga que tendrá que soportar nuestro componente; también es cierto que elegir un material de alto rendimiento para un objeto estático sin motivo sólo aumentaría los costes;
Temperatura de uso (HDT- CUT): La HDT o Temperatura de deformación térmica, indica la temperatura a la que una probeta sometida a una carga se flexiona y deforma plásticamente, mientras que la CUT o Temperatura de uso continuo, indica la temperatura a la que el material puede trabajar de forma continua durante un periodo indefinido. Ambos datos son cruciales para la elección del material, ya que la resistencia mecánica suele estar en función de la temperatura de empleo;
Imprimibilidad: inevitablemente, los requisitos de impresión, tanto en términos de temperatura como de tamaño, limitan la elección de los materiales que pueden procesarse correctamente con la impresora 3D. No hay que minusvalorar estos requisitos: aunque se consiga imprimir algo, los resultados pueden no ser repetibles;
Acabado: en caso de que se necesite un buen resultado estético (presentaciones corporativas o ferias) será necesario evaluar si el material elegido puede ser tratado con acabados superficiales y de qué tipo: algunos materiales muy performantes en la impresión 3D FDM, no ofrecen un resultado estético agradable;
Precio: por último, pero no menos importante, juega un papel en el proceso de decisión como en todas las cosas, limitando las opciones de fabricación de piezas.
En resumen, hemos visto que no existe el mejor material, sino que cada proyecto requiere la elección adecuada.
Piensa en estas reglas para elegir el mejor material para tu proyecto de impresión 3D FDM:
Si ya has identificado el mejor material, puedes proceder a una estimación del coste de tu archivo.
Si todavía tienes dudas, no te preocupes: como has visto, la elección del material es una de las fases más delicadas. Nuestro equipo de expertos está aquí para ayudarte en tu elección: ponte en contacto con ellos aquí para hablar de tu proyecto y de las dudas que tengas sobre el material.