Impresión de materiales compuestos en 3D:una guía introductoria

La fabricación aditiva se puede utilizar con una amplia gama de materiales, desde termoplásticos de alto rendimiento como PEEK hasta metales aptos para la industria aeroespacial como el titanio.

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

A medida que las tecnologías de impresión 3D continúan mejorando, el uso de compuestos imprimibles en 3D se está generalizando. Y su uso tampoco se limita a la industria:mientras que algunos composites (los polvos SLS, por ejemplo) están destinados principalmente a usuarios industriales , otros (como los termoplásticos reforzados con fibra cortada) se pueden usar en impresoras 3D FDM de precio medio para consumidores y profesionales .

Este artículo sirve como guía de introducción a la impresión 3D de materiales compuestos. Examina algunos materiales compuestos populares y tecnologías de impresión compuesta, explica la diferencia entre fibra cortada y compuestos de fibra continua, y considera las principales aplicaciones y ventajas de los compuestos de impresión 3D.

¿Qué son los materiales compuestos de impresión 3D?

En pocas palabras, un material compuesto es un material formado por dos o más materiales diferentes . El especialista en impresión 3D compuesta, Markforged, define los compuestos como "compuestos por más de un material que, cuando se combinan, tienen propiedades diferentes a las de sus materiales originales".

Los ejemplos de compuestos fuera de la impresión 3D incluyen madera contrachapada (capas de diferentes chapas de madera) y hormigón armado (hormigón reforzado con barras de acero).

Dentro de la impresión 3D, los compuestos suelen ser una combinación de un termoplástico material base (una matriz) y un refuerzo elemento como fibra de carbono, fibra de vidrio, grafeno, o kevlar . (Tenga en cuenta que una mezcla de dos termoplásticos, como PLA + ABS, generalmente se denomina mezcla , no un compuesto.) Los materiales base pueden ser prácticamente cualquier cosa, pero los usuarios industriales suelen utilizar termoplásticos de primera calidad que tienen buenas características materiales incluso sin elementos de refuerzo; tales plásticos incluyen PC, nailon y PEEK.

Los composites pueden tomar diferentes formas de materiales, siendo los más comunes polvos mixtos para sinterización selectiva por láser (SLS) y filamentos mixtos para modelado por deposición fundida (FDM) . Menos comunes pero particularmente emocionantes son los compuestos hechos de un material base combinado con fibras continuas. que, utilizando procesos novedosos, se pueden enhebrar o tejer en matrices termoplásticas mientras se imprimen. Estos procesos normalmente requieren dos boquillas:una para depositar el termoplástico y otra para distribuir las fibras continuas. Por último, también existe un número limitado de resinas compuestas para fotopolimerización en cuba Procesos de impresión 3D como estereolitografía (SLA); con esta tecnología, los materiales base de resina termoestable se pueden curar alrededor de un esqueleto de fibra de refuerzo.

Materiales de impresión 3D compuestos populares

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

Los termoplásticos base para los compuestos de impresión 3D FDM van desde polímeros básicos como PLA y ABS en el extremo más económico de la escala, hasta polímeros de alto rendimiento como PEEK al final de la prima. Nail es el material principal utilizado para los polvos SLS compuestos (ya que es el material principal utilizado en la sinterización por láser en general), pero los materiales de alto rendimiento como PAEK también se puede utilizar.

Al observar los compuestos en general (incluso fuera de la impresión 3D), la fibra de vidrio es el material de refuerzo más popular, y también se encuentra ampliamente en compuestos de impresión 3D. Sin embargo, dentro de la fabricación aditiva, las fibras de carbono se usan mucho más que el vidrio, ya que la impresión 3D compuesta se usa para muchas aplicaciones críticas en las que la resistencia superior del carbono vale el gasto adicional. Otros materiales de refuerzo incluyen Kevlar y grafeno.

Materiales base

• Poliamida/nylon (PA): 
• Acrilonitrilo butadieno estireno (ABS)
• Ácido poliláctico (PLA)
• Policarbonato (PC)
• Polieterimida (PE)
• Sulfuro de polifenileno (PPS)
• Poliester éter cetona (PEEK)
• Poliarilétercetona (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 EOS PA 640-GSL , un polvo SLS de nailon PA 12 reforzado con perlas de vidrio y fibras de carbono; CarbonX PETG+CF de 3DXTech , un filamento PETG FDM reforzado con fibra de carbono troceada; y Onyx de Markforged , un material base de nailon relleno con fibra de carbono que también se puede reforzar con fibras continuas utilizando la tecnología de impresión compuesta patentada de Markforged.

Procesos de impresión 3D para materiales compuestos

Aparte de algunas excepciones, las tecnologías de impresión 3D clave para la impresión 3D compuesta son el modelado por deposición fundida (FDM), la sinterización selectiva por láser (SLS) y tecnologías novedosas para la impresión de fibra continua.

FDM

FDM es el proceso de impresión 3D más utilizado para piezas de plástico, y muchas máquinas de precio medio son capaces de procesar materiales compuestos como ABS reforzado con fibra de carbono. Los materiales compuestos para FDM consisten en un material base termoplástico y (generalmente) fibras discontinuas cortadas. Estas fibras pueden fortalecer y endurecer las piezas impresas, pero en grandes cantidades también pueden hacer que el filamento sea más difícil de imprimir y pueden afectar negativamente la calidad de la superficie.

SLS

SLS es otro proceso de impresión 3D de plástico adecuado para la producción de piezas compuestas. Debido al costo y la complejidad de los sistemas SLS, esta tecnología es utilizada principalmente por usuarios industriales. Los materiales son una mezcla de polvos termoplásticos (a menudo nailon) y elementos de refuerzo como fibras picadas o perlas de vidrio. Tenga en cuenta que los polvos SLS compuestos no son universales; los fabricantes de hardware como EOS fabrican máquinas dedicadas a la impresión compuesta.

Nuevos procesos de fibra continua

Una de las áreas más punteras de la fabricación aditiva es la impresión de composites con fibras continuas, concepto que se explica en el siguiente apartado. Compañías como Markforged, Desktop Metal, Orbital Composites, 9T Labs y Anisoprint han desarrollado hardware de fabricación aditiva compuesta que puede integrar fibras continuas en piezas termoplásticas durante la impresión, generalmente alimentando fibras continuas en cada capa individual usando una boquilla separada.

Compuestos de fibra cortada frente a fibra continua

Los materiales de impresión 3D compuestos con fibras de refuerzo se pueden dividir en dos categorías distintas:compuestos de fibra cortada y compuestos de fibra continua. Entonces, mientras que dos compuestos diferentes pueden contener exactamente los mismos materiales constituyentes, pueden funcionar de una manera muy diferente dependiendo de si tienen fibras cortadas o continuas.

• Fibras picadas son diminutas hebras de material de refuerzo como el carbono o el Kevlar. Normalmente mide menos de un milímetro de longitud, estos hilos se pueden mezclar fácilmente en una matriz termoplástica (PLA, ABS, etc.), lo que le da al plástico común mayor resistencia y rigidez. Las fibras picadas son increíblemente útiles porque son muy versátiles :se pueden mezclar con una amplia variedad de termoplásticos y los compuestos resultantes se pueden imprimir en impresoras 3D ordinarias. Sin embargo, cuando las fibras cortadas se mezclan con un material base, cada fibra individual adopta una orientación aleatoria. , lo que hace que el material sea menos resistente que un material con fibras continuas.
• Fibras continuas , por el contrario, son más largos, unidireccionales hebras de material de refuerzo que, cuando se integran en una matriz termoplástica, brindan una resistencia muy superior en comparación con las fibras cortadas. Esto se debe a que un torón puede absorber y distribuir cargas en toda su longitud, por lo que una longitud continua más larga tiene una mayor capacidad de carga que una pequeña hebra cortada. Solo en los últimos cinco años, más o menos, la impresión 3D de compuestos de fibra continua se convirtió en la corriente principal, y varios fabricantes desarrollaron sus propias tecnologías. No hace falta decir que la impresión compuesta de fibra continua es más costosa que la impresión compuesta de fibra cortada, ya que se requiere hardware dedicado.

Aplicaciones de materiales compuestos

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

Los sectores que utilizan la fabricación aditiva y los compuestos de impresión 3D incluyen aeroespacial, automotriz, electrónica, bienes de consumo, médico, y industriales . La mayoría de estas industrias utilizan la impresión 3D compuesta para fabricar piezas de alta rigidez que son de pequeña escala (aunque algunos hardware de extrusión de gran formato son capaces de imprimir compuestos).

El utillaje, a pequeña o gran escala, es una aplicación particularmente relevante para la impresión 3D compuesta, ya que los materiales reforzados son ideales para moldes y utillaje de final de brazo.

En términos de tecnologías particulares, la impresión 3D de fibra continua ofrece la mayor variedad de aplicaciones potenciales (en comparación con FDM o SLS), aunque todavía está en pañales y no se usa tan ampliamente como las técnicas de impresión 3D de fibra cortada.