Reduciendo costes en impresión 3D con fibra continua: innovaciones y estrategias

El Instituto de Estructuras Compuestas y Sistemas Adaptativos de DLR (Braunschweig, Alemania) es una institución de investigación líder en construcción ligera, que persigue nuevas tecnologías en cuatro campos estratégicos: diseño para certificación, digitalización e Industria 4.0, reciclaje y estructuras compuestas aditivas. CW informó a principios de este año sobre el Laboratorio de Innovación EmpowerAX del instituto para acelerar, fortalecer y ampliar la transferencia de extrusión aditiva a la industria para compuestos impresos en 3D. También está completando una serie de proyectos de I+D que incluyen simulación de extrusión aditiva, modificación de termoplásticos para mejorar el rendimiento en impresión 3D y producción de filamentos para impresora con fibra continua.

Este último proyecto, titulado ENDLOSEFFEKT (“efecto infinito”), está diseñado para mejorar la fabricabilidad, calidad y coste de materiales reforzados con fibra de longitud infinita. “La disponibilidad de filamentos de impresión preimpregnados con fibra continua es limitada”, explica Maik Titze, responsable de fabricación aditiva en el Instituto de Estructuras Compuestas y Sistemas Adaptativos de DLR en Braunschweig. “Esta disponibilidad limitada y variedad de materiales utilizables, así como los precios de los materiales, constituyen una barrera para la aplicación. Queríamos diseñar una boquilla de impregnación para que el mismo equipo usado para producir filamentos estándar rellenos de fibra corta para FDM [modelado por deposición fundida] también pudiera producir filamentos reforzados con fibra continua. Este equipo sería para empresas que fabrican filamentos de impresora 3D, con el objetivo de reducir el coste de la impresión 3D con materiales reforzados con fibra continua”.

Actualmente, la mayoría de los filamentos de impresora 3D reforzados con fibra continua los fabrican las mismas empresas que venden máquinas de impresión con fibra continua, con cada material desarrollado y optimizado para un sistema de impresión particular. Estos materiales tienden a ser algo costosos.

“Nuestra idea es comenzar con cualquier tamaño de fibra seca, por ejemplo, fibra de carbono 1K hasta 50K, y luego usar impregnación por fusión directa desde pellets o gránulos de termoplástico commodity mediante extrusión porque es muy rentable”, dice Titze. “No necesitas producir polvo de polímero ni láminas, ni usar prensas costosas ni cientos de rodillos para lograr la impregnación de la fibra. Así, el procesamiento se vuelve mucho más accesible y asequible”.

En lugar de prensas, cintas y rodillos, DLR ideó un sistema usando ultrasonidos. “Usamos un sonotrodo de 19,5 kilohercios que dirige la vibración al termoplástico fundido que rodea la fibra”, explica Titze. “Esto la matriz y el refuerzo a 19.500 veces por segundo, lo que resulta en una impregnación muy buena”.

La ruta del proceso comienza con la extensión y calentamiento de la fibra (Fig. 1). Este refuerzo se alimenta luego a una cámara sellada en la que se inyecta el polímero fundido. A medida que la fibra pasa por esta cámara, la resina fundida recubre la fibra. “La fibra y el polímero pasan luego a una cámara de ultrasonidos, que con 80 milímetros de longitud es muy pequeña y compacta”, señala Titze. “Las vibraciones emitidas por el sonotrodo el filamento de polímero reforzado con fibra, que sale de la boquilla en la forma que quieras. Por ejemplo, la boquilla puede ser circular o plana”.

Las micrografías en la Fig. 2 muestran fibra de carbono 12K impregnada con ácido poliláctico (PLA), poliamida (PA) y poliéterimida (PEI) al 50% de volumen de fibra. El volumen de fibra es ajustable (30-50%) mediante el diseño de la boquilla de matriz, dice Titze. “Creemos que hasta el 60% será posible. En general, se necesita más trabajo en el proceso, pero hemos demostrado que funciona con buenos resultados iniciales y una velocidad de línea de 5- milímetros/segundo”. Concede que esto es lento y no económico, pero un nuevo diseño de equipo estaba previsto para probarse en junio, con el objetivo de alcanzar ya 3 metros/minuto.

“Típicamente, las velocidades estarían más cerca de 10 metros/minuto”, dice Titze. “Sin embargo, la tecnología también pretende permitir la producción flexible de nuevas combinaciones de materiales, por lo que una velocidad ligeramente menor podría ayudar a hacer rentables tiradas de producción más pequeñas”.

El proceso que DLR ha desarrollado no es selectivo hacia un material: se puede usar cualquier fibra o polímero, dice Titze. “Esto es importante a medida que los procesos siguen hibridándose y se necesitan nuevos materiales. Los materiales para impresión 3D deben volverse más competitivos, o la impresión 3D con fibra continua no tendrá un gran futuro. Al usar pellets o gránulos de termoplástico, podemos reducir significativamente el coste y el equipo cabe en un espacio de instalación pequeño, de modo que incluso empresas pequeñas pueden implementarlo”.

El Instituto de Estructuras Compuestas y Sistemas Adaptativos de DLR inició este proyecto en octubre de 2019 y lo completará en enero de 2022. “Nuestro objetivo es seguir miniaturizando la tecnología e integrarla en un cabezal de impresión”, dice Titze. “Así, esto sería impregnación directa en línea con la impresión. Ambos enfoques se transferirán a la industria”. Explica que, como entidad gubernamental sin ánimo de lucro, DLR no estará “vendiendo” nada y por tanto derechos exclusivos. “Nuestro objetivo es involucrar a proveedores de cabezales de impresión para reducir los precios de los materiales en general y ampliar la aplicación industrial de la fabricación aditiva con fibra continua”.