Explorando Materiales Compuestos para Impresión 3D: Guía Práctica para Ingenieros

A veces, sin embargo, los ingenieros quieren combinar propiedades de dos materiales diferentes, y una de las mejores formas es usando compuestos. Usados en procesos como FDM y SLS (y tecnologías novedosas), los materiales compuestos suelen contener un material base termoplástico y un elemento de refuerzo como fibra de carbono. La proporción entre ambos puede variar, al igual que el método de integración del refuerzo.

A medida que las tecnologías de impresión 3D mejoran, el uso de compuestos imprimibles en 3D se vuelve más extendido. Y su uso no se limita a la industria: mientras algunos compuestos (polvos SLS, por ejemplo) van dirigidos a usuarios industriales, otros (como termoplásticos reforzados con fibra picada) pueden usarse en impresoras FDM de precio medio para consumidores y profesionales.

Este artículo sirve como guía introductoria a materiales compuestos para impresión 3D. Analiza materiales compuestos populares y tecnologías de impresión, explica la diferencia entre compuestos de fibra picada y continua, y considera las principales aplicaciones y ventajas.

¿Qué son los materiales compuestos para impresión 3D?

En términos simples, un material compuesto está formado por dos o más materiales diferentes. El especialista en impresión 3D de compuestos Markforged define compuestos como "hechos de más de un material que, combinados, tienen propiedades diferentes a las de sus materiales originales".

Ejemplos fuera de la impresión 3D incluyen contrachapado (capas de chapa de madera diferentes) y hormigón armado (hormigón reforzado con barras de acero).

En impresión 3D, los compuestos son típicamente una combinación de un termoplástico base (matriz) y un refuerzo como fibra de carbono, fibra de vidrio, grafeno o kevlar. (Una mezcla de dos termoplásticos, como PLA + ABS, se suele llamar mezcla, no compuesto.) Los materiales base pueden ser casi cualquier cosa, pero usuarios industriales suelen usar termoplásticos premium con buenas características incluso sin refuerzo; tales plásticos incluyen PC, nylon y PEEK.

Los compuestos pueden tomar distintas formas de material, las más comunes siendo polvos mezclados para sinterizado láser selectivo (SLS) y filamentos mezclados para modelado por deposición fundida (FDM). Menos comunes pero especialmente emocionantes son compuestos de material base combinado con fibras continuas que, mediante procesos novedosos, pueden entretejerse en matrices termoplásticas mientras se imprimen. Tales procesos suelen requerir dos boquillas: una para depositar el termoplástico y otra para distribuir las fibras continuas. Finalmente, también hay un número limitado de resinas compuestas para fotopolimerización en cuba como estereolitografía (SLA); con esta tecnología, resinas base termoestables pueden curarse alrededor de un esqueleto de fibra de refuerzo.

Materiales compuestos populares para impresión 3D

Ya sea en polvo, filamento u otra forma, los materiales compuestos para impresión 3D se desarrollan típicamente por su alta resistencia, alta rigidez, buena estabilidad dimensional y buena relación resistencia-peso. Las fibras son excepcionalmente ligeras y pueden mejorar drásticamente la resistencia de un termoplástico sin añadir masa. Los compuestos de ingeniería impresos en 3D pueden incluso sustituir al metal.

Los termoplásticos base para compuestos FDM van desde polímeros de consumo como PLA y ABS en el extremo económico, hasta polímeros de alto rendimiento como PEEK en el premium. El Nylon es el material principal para polvos compuestos SLS (pues es el principal en sinterizado láser generalmente), pero materiales de alto rendimiento como PAEK también pueden usarse.

Mirando compuestos en general (incluyendo fuera de impresión 3D), la fibra de vidrio es el refuerzo más popular —y también muy presente en compuestos de impresión 3D. Dentro de la fabricación aditiva, sin embargo, las fibras de carbono son mucho más usadas que el vidrio, ya que la impresión 3D de compuestos se usa en muchas aplicaciones críticas donde la resistencia superior del carbono justifica el gasto añadido. Otros refuerzos incluyen Kevlar y grafeno.

Materiales base

• Poliamida / nylon (PA)
• Acrilonitrilo butadieno estireno (ABS)
• Ácido poliláctico (PLA)
• Policarbonato (PC)
• Polietermida (PE)
• Polifenileno sulfuro (PPS)
• Polietéter éter cetona (PEEK)
• Poliariletercetona (PAEK)

Refuerzos

• Fibra de carbono
• Fibra de vidrio
• Cuentas de vidrio
• Kevlar
• Grafeno
• Otros metales

Ejemplos de materiales compuestos de marca en el mercado incluyen PA 640-GSL de EOS, polvo SLS de nylon PA 12 reforzado con cuentas de vidrio y fibras de carbono; CarbonX PETG+CF de 3DXTech, filamento FDM PETG reforzado con fibra de carbono picada; y Onyx de Markforged, material base nylon cargado con fibra de carbono que también puede reforzarse con fibras continuas usando la tecnología propietaria de Markforged.

Procesos de impresión 3D para materiales compuestos

Salvo algunas excepciones, las tecnologías clave para impresión 3D de compuestos son modelado por deposición fundida (FDM), sinterizado láser selectivo (SLS) y tecnologías novedosas para impresión de fibra continua.

FDM

FDM es el proceso de impresión 3D más usado para piezas plásticas, y muchas impresoras de precio medio pueden procesar compuestos como ABS reforzado con fibra de carbono. Los materiales compuestos para FDM consisten en un termoplástico base y (usualmente) fibras discontinuas picadas. Estas pueden fortalecer y rigidizar piezas, pero en grandes cantidades también pueden dificultar la impresión y afectar negativamente la calidad superficial.

SLS

SLS es otro proceso de impresión 3D plástico adecuado para producir piezas compuestas. Por el coste y complejidad de sistemas SLS, esta tecnología la usan principalmente usuarios industriales. Los materiales son mezcla de polvos termoplásticos (a menudo nylon) y elementos de refuerzo como fibras picadas o cuentas de vidrio. Nota: los polvos compuestos SLS no son universales; fabricantes como EOS hacen máquinas dedicadas a impresión de compuestos.

Procesos novedosos de fibra continua

Una de las áreas más vanguardistas de la fabricación aditiva es la impresión de compuestos con fibras continuas —concepto explicado en la siguiente sección. Empresas como Markforged, Desktop Metal, Orbital Composites, 9T Labs y Anisoprint han desarrollado hardware de fabricación aditiva de compuestos que integra fibras continuas en piezas termoplásticas durante la impresión, típicamente alimentando fibras continuas en cada capa individual usando una boquilla separada.

Compuestos de fibra picada vs fibra continua

Los materiales de impresión 3D compuestos con fibras de refuerzo se dividen en dos categorías distintas: compuestos de fibra picada y compuestos de fibra continua. Así, dos compuestos diferentes pueden contener exactamente los mismos materiales constituyentes, pero comportarse de forma muy distinta según tengan fibras picadas o continuas.

• Fibras picadas son diminutos hilos de material de refuerzo como carbono o Kevlar. Típicamente miden menos de un milímetro de largo, y pueden mezclarse fácilmente en una matriz termoplástica (PLA, ABS, etc.), dando al plástico ordinario mayor resistencia y rigidez. Las fibras picadas son increíblemente útiles por su gran versatilidad: pueden mezclarse con una amplia variedad de termoplásticos, y los compuestos resultantes pueden imprimirse en impresoras 3D ordinarias. Sin embargo, al mezclarse en un material base, cada fibra individual adopta una orientación aleatoria, lo que hace el material menos resistente que uno con fibras continuas.
• Fibras continuas, en cambio, son hilos largos, unidireccionales de material de refuerzo que, integrados en una matriz termoplástica, proporcionan resistencia muy superior a las fibras picadas. Esto es porque un hilo puede absorber y distribuir cargas a lo largo de toda su longitud, así que una longitud continua mayor tiene mayor capacidad de carga que un diminuto hilo picado. Solo en los últimos cinco años la impresión 3D de compuestos de fibra continua se ha vuelto mainstream, con varios fabricantes desarrollando sus propias tecnologías. Como es de esperar, la impresión de compuestos de fibra continua es más cara que la de fibra picada, pues requiere hardware dedicado.

Aplicaciones de los materiales compuestos

Los materiales compuestos tienen muchos usos en muchas industrias, y las aplicaciones abarcan prototipos, piezas de uso final y utillaje.

Sectores que usan fabricación aditiva e impresión 3D de compuestos incluyen aeroespacial, automotriz, electrónica, bienes de consumo, médica e industrial. La mayoría usa impresión 3D de compuestos para hacer piezas de alta rigidez a pequeña escala (aunque algún hardware de extrusión de gran formato puede imprimir compuestos).

El utillaje —a pequeña o gran escala— es una aplicación especialmente relevante para impresión 3D de compuestos, pues los materiales reforzados son ideales para moldes y utillaje de fin de brazo.

En cuanto a tecnologías particulares, la impresión 3D de fibra continua ofrece el mayor alcance de aplicaciones potenciales (comparado con FDM o SLS), aunque aún está en pañales y no tan extendida como técnicas de fibra picada.