Revoluciona la impresión 3D FFF con soportes de filamento soluble

Una de las principales limitaciones de la impresión 3D FFF frente a otras tecnologías de fabricación aditiva es la necesidad de que el área impresa de cada capa esté soportada por una capa impresa previamente. Esto significa que cualquier parte de la pieza con un voladizo mayor a 45º o cualquier puente de más de 10 mm requiere estructuras de soporte.

En impresoras 3D FFF de un solo extrusor, la única opción para generar estructuras de soporte es usar el mismo material de impresión que la pieza. Estos soportes deben retirarse mecánicamente tras la impresión, y se emplean diversas estrategias para facilitarlo, como hacer estos soportes con estructuras de baja densidad y dejar una capa de separación entre el soporte y la pieza. Esto permite retirar los soportes manualmente sin herramientas, aunque los acabados superficiales de las caras en contacto con los soportes suelen quedar mal terminados.

Imagen 1: Soportes en piezas impresas en 3D. Fuente: 3DHubs

En impresoras 3D FFF con doble extrusor, el abanico de opciones se amplía, ya que no es necesario usar el mismo material para la pieza y para los soportes. Esto abre la puerta a usar materiales solubles en disolventes que no disuelvan el material de la pieza. Esto permite usar soportes densos en contacto con la pieza que garantizan un excelente acabado en la superficie de contacto.

Imagen 2: Extrusor doble Raise3D Pro2. Fuente: Raise3D

Existen muchos filamentos de soporte solubles diferentes, pero no todos son iguales ni tienen la misma compatibilidad. Al seleccionar un material de soporte soluble, es importante considerar una serie de características para asegurar la compatibilidad con el material de impresión usado. Estas características son:

• Debe ser soluble en un disolvente que no dañe ni merme las propiedades del material usado en la pieza.

• Debe ser térmicamente compatible con el filamento de la pieza, por lo que debe tener temperaturas de impresión y de base similares, así como temperaturas de reblandecimiento similares.
• Debe tener buena adhesión con el material usado en la pieza.
• Debe ser fácilmente imprimible y tener buena adhesión entre capas.

Actualmente hay tres tipos principales de materiales de soporte solubles:

• Filamentos solubles en disolventes orgánicos
• Filamentos solubles en agua mediante activador
• Filamentos solubles en agua

FILAMENTOS SOLUBLES EN DISOLVENTES ORGÁNICOS.

Son materiales con propiedades similares al material usado en la pieza pero que pueden disolverse en un disolvente que no ataque ni disuelva el material que complementan.

Actualmente no hay muchas opciones para este tipo de filamento, principalmente por dos problemas: por un lado, los materiales con propiedades físico-químicas similares que los hacen compatibles entre sí también suelen comportarse de forma similar frente a la mayoría de disolventes, lo que dificulta encontrar un disolvente adecuado. Por otro lado, muchos de estos disolventes orgánicos son altamente tóxicos o no accesibles para la mayoría de usuarios y requieren tratamiento de residuos especializado.

Imagen 3: D-Limoneno. Fuente: Filament2print

El filamento más usado de este tipo es HIPS, cuyas propiedades lo hacen compatible con la mayoría de materiales basados en ABS y ASA. Además de tener propiedades térmicas similares, tiene buena adhesión con ABS y ASA. Es actualmente uno de los materiales de soporte más usados, no solo por su compatibilidad con ABS, sino también por su bajo coste y porque es soluble en D-Limoneno, un disolvente orgánico accesible, económico y de baja toxicidad.

FILAMENTOS SOLUBLES EN AGUA MEDIANTE ACTIVADOR.

Son polímeros basados en ATP (terpolímeros de acrilato). Estos materiales tienen la característica de ser solubles en soluciones alcalinas. Tienen excelente compatibilidad con materiales basados en ABS y ASA, y también pueden usarse con policarbonato (aunque su compatibilidad es algo menor).

No son solubles directamente en agua, ya que requieren que el agua tenga pH alcalino, por lo que es necesario el uso de un activador tampón, como 3DWash.

Imagen 4: 3DWash. Fuente: Traxer

Son una alternativa perfecta a HIPS, no solo porque no requieren el uso de disolventes orgánicos, sino también porque son filamentos desarrollados y aditivados específicamente para uso como material de soporte, por lo que generalmente se disuelven más rápido y dejan menos residuos en la pieza.

Video 1: Presentación en video de PolyDissolve S2. Fuente: Polymaker

Algunos filamentos representativos son PolyDissolve S2 y Z-SUPPORT ATP.

FILAMENTOS SOLUBLES EN AGUA

Uno de los principales objetivos de los fabricantes ha sido conseguir filamentos de soporte solubles directamente en agua. Esto es porque no requiere disolventes orgánicos ni soluciones alcalinas, lo que lo convierte en la alternativa más segura y accesible para la mayoría de usuarios.

Por eso es la categoría con mayor variedad de materiales diferentes, y con opciones compatibles con una amplia gama de filamentos.

Dentro de los filamentos solubles en agua, se pueden distinguir dos tipos:

Filamentos solubles en agua compatibles con materiales de baja temperatura: Son filamentos basados en PVA (alcohol polivinílico) o BVOH (alcohol vinílico butenodiol). Ambos materiales tienen excelente compatibilidad con PLA y pueden usarse con PA (aunque su compatibilidad no es tan buena). BVOH puede considerarse como una evolución de PVA y tiene una serie de ventajas sobre PVA, como mejor compatibilidad con PETG o incluso con algunos filamentos flexibles y una mayor velocidad de disolución en agua fría. Algunos filamentos PVA son LAY-PVA o PVA Raise, mientras que Mowiflex o Z-SUPPORT Premium se basan en BVOH.

Video 2: Comparativa entre PVA y BVOH. Fuente: BCN3D

Filamentos solubles en agua compatibles con materiales de alta temperatura: Son los filamentos de soporte más avanzados disponibles actualmente. Están compuestos por un material que es una mezcla de un polímero soluble en agua (similar a los anteriores) y un azúcar, generalmente trehalosa, un polisacárido de rápida disolución en agua y con alta estabilidad térmica. La proporción entre polímero y azúcar, junto con el uso de ciertos aditivos específicos de cada fabricante, permite obtener diferentes formulaciones de materiales solubles en agua que son compatibles con materiales en un amplio rango de temperaturas, desde ABS hasta PEEK o ULTEM.

Imagen 5: Pieza de PA-CF con soportes de Aquatek X1. Fuente: 3DXTech

Algunos filamentos como Aquasys 120 o Aquatek X1 son compatibles con PLA, así como ABS, ASA, PA, PETG o ciertos filamentos flexibles. Aquasys 120 también puede usarse con PC o PP. Además, ambos materiales pueden soportar temperaturas de cámara de hasta 120°C y por tanto también son adecuados para uso en impresoras industriales.

Un paso más allá está Aquasys 180, probablemente el material de soporte más avanzado y compatible disponible hoy. Además de ser compatible con los mismos materiales que Aquasys 120, puede usarse con PEKK, PEEK, ULTEM y PPSU ya que soporta temperaturas de cámara de hasta 180°C.

Imagen 6: Pieza con soportes fabricados en Aquasys 180. Fuente: Infinite Material Solutions

Sin embargo, la principal ventaja de este tipo de filamentos (su alta solubilidad en agua) es también su principal desventaja, ya que son altamente sensibles a la humedad ambiental. Esto hace necesario mantener estos filamentos en contenedores especiales, tanto durante el almacenamiento como durante el uso. Además, al absorber humedad, su adhesión empeora y aumenta el riesgo de obstrucción.

CÓMO ELEGIR EL FILAMENTO SOLUBLE MÁS ADECUADO.

Al seleccionar el filamento soluble más adecuado, es necesario analizar el material a complementar.

• ABS/ASA: En general es aconsejable evitar el uso de HIPS ya que implica la manipulación de disolventes orgánicos y genera residuos que no pueden desecharse directamente. En este caso, los filamentos solubles en agua basados en ATP con uso de activador son la opción más recomendada. Tienen excelente compatibilidad con estos materiales y baja sensibilidad a la humedad, lo que facilita su almacenamiento y uso, minimizando el riesgo de fallo de impresión.

• PLA: Los materiales con mejor compatibilidad con PLA son los basados en PVA y BVOH. Dentro de estos, los basados en BVOH son menos sensibles a la humedad, aunque en general los basados en PVA son ligeramente más baratos.

• PETG/PA: Aunque es posible usar PVA y BVOH como material de soporte con PETG y PA, su compatibilidad no es especialmente buena. En este caso, la mejor opción son los filamentos solubles en agua compatibles con alta temperatura como Aquasys 120.

• Flexibles: La compatibilidad entre soporte y materiales flexibles nunca ha sido especialmente buena. Es posible usar BVOH o materiales como Aquasys 120 con algunos filamentos flexibles, sin embargo será necesario testar cada filamento flexible para verificar la compatibilidad.

• PEEK/PEKK/PEI/PPSU: En este caso la mejor opción es usar Aquasys 180, ya que es el material que garantiza la mejor compatibilidad con este tipo de materiales y tiene la mejor estabilidad térmica a altas temperaturas.

• Si sueles usar soportes solubles con diferentes materiales, la opción ideal es usar un solo material compatible con todos, como Aquasys 120 o Aquatek X1, en lugar de tener uno diferente para cada material.

Aunque a menudo se refiera a los filamentos solubles como un solo grupo, en realidad consisten en diferentes materiales, con sus propias características muy específicas. Hoy en día es posible encontrar filamentos solubles de alta calidad compatibles con casi cualquier material del mercado, desde PLA hasta PEEK.