Por qué la isotropía importa en la impresión 3D: Clave para consistencia y rendimiento

La isotropía en los materiales es una cualidad que define la uniformidad de sus propiedades independientemente de la dirección en que se midan.

En general, la mayoría de los termoplásticos se consideran materiales isotrópicos. Debido a su naturaleza y a que la cohesión entre las cadenas poliméricas que los componen es uniforme en todas las direcciones, sus propiedades mecánicas también lo son.

El hecho de que un material sea isotrópico no implica que todas las piezas hechas con ese material mantengan esta cualidad. En muchas ocasiones el método de conformado o fabricación puede hacer que una pieza sea anisotrópica u ortotrópica, a pesar de que su materia prima tenga isotropía.

Por ejemplo, una pieza hecha de un termoplástico reforzado con fibras. En la matriz plástica, las fibras están orientadas aleatoria y uniformemente, manteniendo así la isotropía del material. Sin embargo, si una pieza de este material se fabrica usando métodos de estiramiento mecánico, las fibras pueden reorientarse dentro de la matriz en una dirección preferente y hacer que el material se vuelva anisotrópico. A veces, durante el proceso de inyección de termoplásticos o en el curado de resinas, se generan tensiones internas que pueden hacer que el material reduzca su grado de isotropía.

A veces esta anisotropía es una decisión de ingeniería que tiene en cuenta qué cargas soportará la pieza y busca mejorar su rendimiento o optimizar la relación peso/resistencia. Es el caso, por ejemplo, de los compuestos reforzados con fibras, en los que a menudo se usan mallas de fibras orientadas para mejorar las propiedades en una dirección determinada.

Imagen 1: Material isotrópico y anisotrópico. Fuente: Instron.

Pero, ¿qué ocurre cuando esta anisotropía es una consecuencia no intencionada, producto del método de conformado o fabricación? En este caso, si las cargas que actuarán sobre la pieza no son uniformes y conocemos bien cómo varía la isotropía de la pieza tras su fabricación, podemos adaptar su orientación durante el proceso de conformado para que la dirección preferente coincida con la dirección de la carga. Esto complica mucho las tareas de diseño y fabricación, pero puede ser un obstáculo salvable.

Sin embargo, cuando no sabemos a priori en qué dirección actuarán las cargas sobre una pieza, el hecho de que sus propiedades no sean uniformes en todas las direcciones puede suponer un gran problema. Primero, deberían probarse las propiedades en todas las direcciones y considerar los valores más bajos como la resistencia de la pieza. Segundo, es mucho más complicado determinar cuándo fallará esa pieza, ya que la vida útil cuando las cargas actúan en su dirección más favorable puede ser mucho más larga que cuando lo hacen en la menos favorable.

Por eso, cuando se trata de piezas que deben cumplir una función mecánica o estructural, el control de la isotropía es de gran importancia.

Isotropía en la impresión 3D

Uno de los métodos de fabricación en los que la isotropía se ve claramente afectada es la impresión 3D FDM. Este método se basa en formar la pieza capa a capa extruyendo un hilo de polímero fundido.

Es precisamente por esto que, a nivel de su microestructura, las piezas impresas con FDM son estructuras microporosas. Esto implica que la sección real de la pieza varía en cada dirección respecto a la sección aparente que podemos medir a nivel macroscópico. Además, entra en juego otro factor: la cohesión entre capas, que no siempre se produce de forma ideal y reproducible.

Imagen 2: Microestructura de una impresión 3D FDM. Fuente: Formlabs.

Debido a este desfase entre las secciones reales de la pieza y las aparentes, el módulo aparente al probar la pieza en los tres ejes también variará.

Por ejemplo, si probamos un cubo de 1 cm³, veremos que el módulo elástico es diferente en los tres ejes. Esto es porque al calcular E = (F/S) / (∆L/L) donde S es la sección de la pieza, estamos tomando como sección 1 cm² para los tres ejes, cuando la sección real varía de un eje a otro como se ve en la imagen 3.

Imagen 3: Secciones de una pieza impresa con relleno 100% y todas las capas orientadas en la misma dirección.

Podríamos minimizar este efecto variando la dirección de impresión en cada capa. Orientando las capas a 90º como se muestra en la figura 4, podríamos obtener piezas ortotrópicas en los ejes X e Y, aunque la anisotropía permanecería en el eje Z.

Imagen 4: Secciones de una pieza impresa con relleno 100% y cada capa orientada a 90º respecto a la anterior.

En teoría, si variamos cada capa en un pequeño ángulo, en piezas grandes compuestas por un gran número de capas superpuestas, podríamos obtener isotropía plana en el plano XY, pero aún así no alcanzaríamos una isotropía completa.

Podríamos intentar obtener las secciones reales de las piezas y así predecir sus propiedades teóricas en cada dirección, sin embargo en la práctica las impresoras FDM no son lo suficientemente precisas para obtener estructuras homogéneas y reproducibles, como se ve en la imagen 5.

Imagen 5: Secciones de piezas impresas con capas de 0.1, 0.2 y 0.3 mm. Fuente: S. Garzon-Hernandez et al. Materials and Design 188 (2020) 108414

Por todo esto, es muy difícil predecir el comportamiento mecánico de una pieza impresa en FDM.

Sin embargo, este fenómeno no es universal en la impresión 3D. Otras tecnologías como la impresión 3D SLA y la impresión 3D SLS producen piezas con alta isotropía.

En la impresión SLA, las piezas se forman mediante fotocurado de una resina capa a capa. Esto implica que las piezas son completamente densas y por tanto su sección aparente y real son la misma. Además, la cohesión entre moléculas se forma por enlaces químicos y de forma homogénea en toda la pieza.

Imagen 6: Módulo de Young de una pieza impresa por SLA, medido en diferentes ángulos. Fuente: Formlabs

A pesar de que tradicionalmente las resinas SLA no se consideraban para aplicaciones técnicas por sus pobres propiedades mecánicas, en los últimos años ha habido un salto significativo en el desarrollo de resinas con propiedades mecánicas y térmicas compatibles con los requisitos más exigentes. Es el caso de las resinas de ingeniería de Formlabs, que junto con la impresora Form 3L, capaz de producir piezas de hasta 335x200x300 mm, forman el tándem perfecto para muchas aplicaciones que requieren piezas isotrópicas con altas propiedades mecánicas.

Imagen 7: Impresora SLA Form 3L. Fuente: Formlabs

Sin embargo, a pesar del avance en el desarrollo de materiales técnicos para SLA, la tecnología que garantiza mejores resultados para aplicaciones técnicas es la impresión 3D SLS.

Esta tecnología se basa en el sinterizado capa a capa de micropartículas poliméricas. El resultado son piezas con características ideales para aplicaciones de ingeniería: tienen alta isotropía, alta precisión dimensional y se pueden imprimir sin soportes, permitiendo geometrías altamente complejas e incluso imprimir mecanismos móviles ya ensamblados.

Las piezas producidas por impresión SLS son porosas, sin embargo, a diferencia de las producidas por FDM, su porosidad es homogénea y no depende de la orientación de la pieza durante la impresión, como se puede ver en la imagen 8.

Imagen 8: Microestructura interna de una pieza impresa mediante SLS.

Esto hace que tengan una alta isotropía, ya que, aunque sus secciones reales y aparentes no son las mismas, sí permanecen constantes en todas las direcciones.

Por eso, aunque las propiedades mecánicas de las piezas impresas por SLS son diferentes a las del material de partida, son constantes, independientes de la orientación de la pieza y pueden determinarse fácilmente, lo que simplifica los cálculos de ingeniería y permite determinar con bajos márgenes de error la resistencia y vida útil de los componentes fabricados con esta tecnología.

Además, la impresión SLS permite el uso de polímeros técnicos ampliamente usados en el sector industrial, como el nylon 11, nylon 12 o incluso elastómeros termoplásticos como TPE y TPU.

Este es el caso de impresoras 3D como la Lisa Pro, una impresora con una excelente relación calidad-precio, capaz de producir piezas de muy alta calidad en materiales como la poliamida 11, gracias a su capacidad para imprimir en atmósfera de nitrógeno.

Video 1: Video de Lisa Pro. Fuente: Sinterit

Cuando se trata de producir piezas por impresión 3D que deben cumplir ciertos requisitos mecánicos, no solo hay que considerar las propiedades del material de partida sino también la tecnología con la que se fabricará. Aunque la tecnología FDM es probablemente la más versátil a la hora de elegir materiales técnicos, el hecho de que las piezas impresas tengan isotropía muy baja puede ser un gran problema difícil de superar en muchos casos. La orientación de la pieza durante la impresión, la selección de patrones de relleno y un buen entendimiento de dónde y bajo qué condiciones trabajará la pieza son factores críticos para producir componentes técnicos usando impresión 3D FDM. Esto significa que el diseño y producción de piezas con esta tecnología es quizás el más complejo mientras presenta limitaciones significativas.

Muchas de estas limitaciones desaparecen con la impresión SLA y SLS. La posibilidad de obtener piezas densas o con porosidad homogénea, con alta isotropía y la disponibilidad de materiales técnicos con buenas propiedades mecánicas, las convierten en una alternativa prometedora para aquellas aplicaciones donde la impresión 3D FDM no es adecuada.

Además, la posibilidad de imprimir piezas sin necesidad de soportes pre-ensamblados y mecanismos móviles, hace que la impresión SLS sea la tecnología ideal al reducir y simplificar el postprocesado de las piezas.