Filamentos PAEK: Materiales de alto rendimiento para impresión 3D

En el mundo de la impresión 3D FDM/FFF, desde hace unos años destaca una familia de materiales por encima de todas: la familia PAEK (poliariletercetona o poliariletercetona). Los materiales de esta clase son plásticos semicristalinos que resisten altas temperaturas (próximas a 200 °C) manteniendo elevados valores de resistencia mecánica.

Filamento PEEK (PolyEtherEtherKetone)

El PEEK (PolyEtherEtherKetone) es el más cristalino de los tres materiales. Esto indica que posee los valores más altos de resistencia mecánica de todos (sin contar aleaciones con fibra de carbono). Sin embargo, esta característica presenta un problema: al seguir las moléculas un patrón de orden repetitivo en las tres dimensiones del espacio en estado sólido, resulta más inestable durante la fusión. Esto implica una gran dificultad para usar el filamento PEEK en impresión 3D, incluso para usuarios expertos con impresoras 3D avanzadas.

Filamento PEKK (PolyEtherKetoneKetone)

El PEKK (PolyEtherKetoneKetone) tiene una estructura semicristalina (menos cristalina que el PEEK). Este tipo de estructura aparece cuando un material tiene dos regiones claramente definidas, una amorfa y otra cristalina. Esta condición estructural ofrece una mayor facilidad de impresión (menor velocidad de cristalización) manteniendo valores de resistencia similares e incluso superiores a los del PEEK.

El PEKK destaca sobre el PEEK en su resistencia a la compresión, siendo hasta un 80 % mayor. Además, este filamento presenta una resistencia química a una gran cantidad de fluidos: hidrocarburos halogenados (benceno), fluidos de automoción (refrigerante), alcohol y soluciones acuosas (agua de mar).

Aplicaciones del PEKK

El uso del PEKK está muy extendido, desde la medicina hasta aplicaciones militares. Su potencial es tal que incluso la NASA utiliza este material en las impresiones 3D que realiza en el espacio exterior. En medicina, algunos centros de desarrollo han creado rodillas, caderas y otros tipos de implantes funcionales con un éxito rotundo en sus pacientes. La combinación de todas sus ventajas ha permitido el desarrollo de cascos militares ligeros, resistentes y antirreflectantes para evitar ser detectados por la luz emitida por una linterna enemiga. Finalmente, grandes empresas aeronáuticas emplean el PEKK para fabricar piezas funcionales para sus aeronaves.

Filamento PEI (ULTEM 1010 y ULTEM 9085)

El PEI (ULTEM 1010 y ULTEM 9085) es el material más modificado dentro de la familia PAEK, llegando incluso a tener la designación de resina por los expertos del sector. La resistencia térmica de este material es una de las más altas en el ámbito de la impresión 3D FDM/FFF, con una temperatura de transición vítrea de 215 °C y una temperatura máxima de trabajo constante bajo una presión de 0,45 MPa de 200 °C.

La ventaja del PEI es que a estas temperaturas las propiedades mecánicas apenas cambian. Esto se debe a su gran estabilidad dimensional, que mantiene la forma estructural incluso al elevar la temperatura, algo impensable con la mayoría de materiales existentes en impresión 3D FDM/FFF.

Aplicaciones del PEI

El ULTEM 1010 se usa habitualmente para fabricar herramientas de inyección de ciclo corto, herramientas de laminado de fibra de carbono y otros tipos de moldes sometidos a altos valores de presión y temperatura (autoclave). Dentro de estos moldes de alta resistencia se encuentran los utilizados para el proceso de vulcanizado de plásticos, como el caucho. Gracias al PEI ULTEM 1010, los moldes pueden fabricarse de forma más rápida, fácil y económica que los moldes de acero actuales. Por otro lado, el ULTEM 9085 es el material revelación de la industria aeronáutica. Su resistencia térmica, química, a la rotura y su alto rendimiento permiten que este material cumpla con los criterios de ensayo y trazabilidad más exigentes requeridos por la industria aeroespacial y los organismos reguladores de certificados.

Innovación continua en la mejora de materiales

Grandes fabricantes de filamento como el francés Nanovia han revolucionado el mercado mejorando tanto el PEKK como el PEI (ULTEM 1010) con fibra de carbono. La fibra de carbono es un material pseudoamorfo que aporta a estos materiales un punto de fusión más bajo, una cristalización más lenta y mantiene la alta temperatura de cristalización (Tg = 160 °C), lo que se traduce en una mayor facilidad de impresión. Además, esta combinación también mejora la estabilidad estructural, optimizando las propiedades mecánicas. Por todo ello, el PEKK CF y el PEI CF han ganado un lugar en la categoría de los materiales más potentes y fáciles de usar dentro de la impresión 3D FDM/FFF. Además, estos dos materiales compiten a nivel general con los termoplásticos más usados en la industria de la ingeniería (polisulfuros, polisulfuros de fenileno y policetonas).

Requisitos para el uso de materiales PAEK

Finalmente, hay que mencionar que el uso de estos materiales avanzados está dirigido a usuarios experimentados con impresoras 3D de tecnología avanzada. Los requisitos mínimos que una impresora 3D FDM/FFF debe tener para usar estos materiales son: temperatura del extrusor de 370-400 °C, temperatura de la base superior a 150 °C, temperatura de cámara superior a 80 °C. Estos valores son necesarios debido a la sensibilidad de estos materiales a la deformación estructural al contacto con zonas de aire a diferentes temperaturas.

La conclusión final es que todos los materiales pertenecientes a la familia PAEK (PEEK, PEKK, PEI, PEKK CF, PEI CF) se encuentran en la cúspide del uso industrial gracias a su alta temperatura de inflamabilidad, su resistencia química, su resistencia mecánica y su buena relación resistencia/peso.