Materiales para impresión 3D

Si bien a finales de la década de 1980 y principio de la década de 1990 se inició la carrera de la tecnología de impresión 3D, en los últimos se ha vuelto más popular y relativamente accesible para una cantidad considerable de personas, especialmente makers, diseñadores, artistas, y aquellas personas que no se dedican a una ocupación profesional y que lo emplean para desarrollo de piezas personales o como pasatiempo, aparte de que ha sido promocionada y difundida ampliamente en ferias, exposiciones y congresos. Incluso ya se encuentran en venta impresoras 3D como si fueran impresoras de inyección de tinta ordinarias y kit para armar y configurar una impresora 3D propia.

Éstas tecnologías son el pilar de la manufactura aditiva –AD, Additive Manufacturing- porque son procesos en los cuales se requiere agregar material o capas de material para formar una pieza, mientras que en la manufactura tradicional se desbasta o se retira material de un bloque o una barra para crear una pieza mediante herramientas cortadoras y con equipos muy diversos. Cabe aclarar que en los procesos de manufactura aditiva no son completamente limpios en el sentido de que se puede obtener una pieza sin desperdicio de material. Normalmente para imprimir tridimensionalmente una pieza y, dependiendo de su forma, se construyen durante el proceso de impresión puentes y soportes que evitan que partes de la pieza se deformen, los cuales al final de la impresión pasan a ser un material removible. Al final este material pasa a ser un residuo generado pero necesario.

Hay varias tecnologías de impresión 3D y para cada tecnología los equipos tienen una configuración particular dado que los procesos de impresión son diferentes y los materiales que se usan también. En el caso de las impresoras 3D que se han vuelto más populares y accesibles son aquellas que emplean la tecnología de modelado deposición de filamento fundidoFDM, fused deposition modeling- Por tratarse de la tecnología más empleada y por el tema que concierne en esta entrega, enseguida se explicarán tanto la configuración general de las impresoras como el proceso de impresión.

La impresora y el proceso de impresión

El proceso de impresión es relativamente sencillo, al igual que el equipo y sus componentes. Una vez que se han establecido la resolución de impresión, porcentaje de relleno, material a emplear, temperaturas, entre otros parámetros, al recibir la instrucción de impresión lo primero que hará la impresora es colocarse en una posición de inicio hasta que el extrusor y la cama se calienten hasta las temperaturas establecidas. A partir de ese momento la plataforma se moverá arriba y el extrusor comenzará a sacar el filamento colocándolo sobre la plataforma y consecutivamente irá colocando capas de filamento uno sobre otro a una presión y flujo constantes hasta completar la impresión mientras que simultáneamente la plataforma se moverá hacia abajo, teniendo como resultado en la pieza que se haya mandado a imprimir.

 

Materiales para impresión

Los materiales que se usan para las impresoras son filamentos de polímeros de 1.75 mm o de 3 mm de grosor enrollados en carretes que comúnmente contienen 750 g, 1 kg o 2.5 kg de filamento –el grosor del filamento depende de la impresora que esté empleándose- La principal característica de estos filamentos es que son polímeros termoplásticos, esto es y dependiendo del tipo de polímero a emplear, a cierta temperatura el polímero se funde y se vuelve maleable. De esta manera, el filamento es empujado por medio de unos rodillos y permite que salga un filamento caliente y maleable del extrusor.

Los polímeros que más se emplean en las impresiones por deposición de material fundido son:

ABS (Acrylonitrile butadiene styrene, acrilonitrilo-butadieno-estireno) Es un filamento hecho a base de petróleo. Su temperatura de fundición se encuentra a partir de los 210°C hasta los 250°C. Requiere que la superficie en la que se vaya a deponer el material se encuentre caliente –normalmente a 100°C- para evitar que la pieza se tuerza. Dado que es un producto derivado del petróleo, al fundirse suele percibir un olor peculiar por lo que la habitación debe encontrarse perfectamente ventilada. El ABS se disuelve con acetona y se deteriora al ser expuesto a la luz solar, aparte de absorber la humedad ambiental, por lo que si no se usa, debe guardarse en una bolsa que pueda sellarse y con un empaque absorbente de humedad. Las características de las piezas impresas en ABS son: ligeras, fuertes, tiene buena resistencia a impactos.

PLA (Polylactic acid, ácido poliláctico) Es el segundo material más usado en las impresoras 3D. Es un material termoplástico hecho a partir de materias ricas en almidón, por lo que es biodegradable y al fundirse suele despedir un olor a galleta. Requiere de una menor temperatura de fundición –entre los 170°C y 210°C- No requiere de una cama precalentada como el ABS. Como este polímero se enfría lentamente, se requiere que se mantenga constantemente enfriado mientras que la pieza se imprime. Al igual que el ABS, el PLA absorbe la humedad ambiental por lo que debe guardarse en un lugar seco y donde no esté expuesto a la luz solar. Las características de este polímero son: ligero, tiene buena dureza y es resistente a impactos, aunque no tanto como el ABS.

PC (Polycarbonate, policarbonato) Las piezas impresas con este filamento son duras pero no rígidas, además de que pueden estar sometidas a altas temperaturas, por lo que en ese aspecto supera absolutamente al ABS y al PLA, además de que es durable y resistente a los impactos. Al igual que el ABS, es soluble en acetona. Debido a su alta tolerancia a altas temperaturas, las temperaturas de extrusión son de 270°C hasta 310°C y la cama debe situarse entre los 95°C y los 105°C. Por otro lado, el enfriamiento de la pieza debe ser gradual ya que la pieza puede sufrir un encogimiento abrupto si se enfría rápidamente.

PVA (Polyvinyl alcohol, alcohol polivinílico) Este filamento es especial y es empleado únicamente en impresoras que tienen varios extrusores y en las que se puede configurar el material a usar en los materiales de soporte ya que este polímero es empleado para las estructuras de soporte debido a que este material es soluble en agua, por lo que la pieza terminada se sumerge en agua y el resultado que se obtiene es una pieza limpia y sin residuos de material de soporte, por lo tanto es un material muy adecuado en piezas que requieran materiales de soporte, que sean difíciles de remover y que su acabado sea limpio. La temperatura de extrusión se encuentra entre 190°C y 210°C. Debido a su naturaleza, es muy costoso y debe ser almacenado en lugares en los que no haya humedad y con una bolsita absorbente de humedad.

Nylon. El nylon es un polímero sintético perteneciente al grupo de las poliamidas. Las propiedades de las piezas impresas con filamento nylon son: resistentes a impactos, flexibles, menos quebradizos y más durables que el ABS y el PLA, por lo que es un material adecuado para fabricar piezas cuyos ciclos de trabajo sean más constantes y prolongados como engranes y broches.

Las temperaturas de los extrusores de la impresora usando este filamento se encuentran entre 240°C y 260°C mientras que la temperatura de la base es entre 80°C y 100°C. Al igual que el ABS y el PLA, este material absorbe la humedad ambiental, por lo que debe guardarse en un lugar seco y con una bolsita absorbente de humedad.

Polímeros flexibles (TPE -thermoplastic elastomers- elastómeros termoplásticos) Uno de ellos es el piliuretano (PU -Polyurethane-), pero en general son filamentos demasiado flexibles, suaves y durables. Las temperaturas de extrusión son entre 225°C y 235°C y no se requiere una cama precalentada.

Finalmente mencionaremos que hay más filamentos y más raros y debido a su rareza y a que no son tan comunes como los ya reseñados sólo se mencionarán; algunos de ellos son los filamentos de tereftalato de polietileno (PET), polipropileno (PP), acrílico, madera, fibra de carbono, filamentos conductivos, fluorescentes y de cera. Sin embargo, a continuación se proporciona el enlace en donde se encuentra una tabla comparativa entre los materiales más usados y los más raros, así como una descripción general de cada uno de ellos. La revisión es ampliamente recomendada.

https://all3dp.com/best-3d-printer-filament-types-pla-abs-pet-exotic-wood-metal/

Para esta entrega se consultaron las siguientes ligas y se recomienda consultarlas para mayor información:

http://3dprintingfromscratch.com/common/types-of-3d-printers-or-3d-printing-technologies-overview/

http://3dprintingfromscratch.com/common/how-to-choose-a-right-3d-printer-filament-type/

http://3dprintingforbeginners.com/filamentprimer/

http://www.lboro.ac.uk/research/amrg/about/the7categoriesofadditivemanufacturing/materialextrusion/

https://all3dp.com/best-3d-printer-filament-types-pla-abs-pet-exotic-wood-metal/

http://www.matterhackers.com/articles/printing-with-nylon

 

Uriel Méndez

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