Crea electrónica conductiva con impresión 3D Filaflex

¿Alguna vez has querido crear algo con tu impresora 3D que incluyera componentes electrónicos? Quizás sensores, trazas conductoras o blindaje contra ruido de radiofrecuencia?

Los filamentos conductivos FFF/FDM para impresión 3D han sido diseñados para usuarios interesados en combinar impresión 3D y electrónica. Ensamblajes conductivos que integran interruptores, potenciómetros, LEDs, sensores táctiles capacitivos... Todo esto y mucho más es posible gracias a ellos.

Específicamente desarrollados para permitir la impresión 3D de componentes electrónicos conductivos, los filamentos conductivos son materiales muy fáciles de imprimir y compatibles con casi cualquier impresora 3D FDM/FFF del mercado.

Aplicaciones

Sus aplicaciones son muchas y variadas, pero destacan especialmente las siguientes:

Sensores

El filamento conductor puede usarse para crear sensores capacitivos (táctiles) usados en una amplia gama de productos electrónicos de uso cotidiano; Es un excelente material para el diseño de dispositivos de interfaz humana (lápices ópticos para móviles y tablets).

Vídeo 1: Lápiz puntero. Fuente: Proto-Pasta.

Los sensores capacitivos también pueden usarse para medir proximidad, posición, humedad, niveles de líquido y aceleración.

Trazas conductoras

Otra aplicación del filamento conductor es en la creación de circuitos que conducen electricidad para usos en electrónica que, en el caso de filamentos conductivos flexibles, también serán aplicables a electrónica flexible.

Imagen 1: Circuito de control. Fuente: Recreus.

Tradicionalmente, para añadir circuitos conductivos a sus creaciones, los entusiastas de la impresión 3D tenían que diseñar piezas con las ranuras necesarias para añadir hilo de cobre tras la impresión. Con el filamento conductor, el cableado puede imprimirse simultáneamente con el proceso de construcción de la pieza.

Blindaje contra ruido de radiofrecuencia e interferencias electromagnéticas

La alta conductividad que ofrece el filamento conductor no solo es excelente para circuitos y sensores impresos en 3D, también es útil para uso contra EMI (Interferencias Electromagnéticas) y en importantes aplicaciones de blindaje RF (Radiofrecuencia) en una amplia gama de industrias. El blindaje EMI/RF se usa para bloquear el campo electromagnético y la radiación electromagnética de radiofrecuencia dentro de un espacio; es importante usar blindaje EMI y RF en entornos hospitalarios, de laboratorio o aeroespacial para proteger contra señales competidoras, ya que estas pueden hacer que equipos propietarios den mediciones falsas. El blindaje EMI/RF logra esto bloqueando señales AM, FM, TV, servicios de emergencia y telefónicas. El filamento conductor es ideal para diseñar blindajes RF/EMI usados en artículos altamente personalizados.

Consejos de uso

Diseñados para uso con impresiones destinadas a funcionamiento a temperatura ambiente y para uso en proyectos de baja tensión, baja corriente solamente (no superar 12 voltios), los filamentos conductivos deben evitarse para alimentación superior a 100 mA.

La impresión con filamentos conductivos (PLA) es casi tan fácil como imprimir con PLA estándar. No es necesario tener una impresora 3D con cama caliente, aunque si se tiene, se recomienda usar la cama caliente a 50-60 °C ya que se obtiene mayor adherencia.

La posible contaminación del filamento conductor con suciedad de manos o polvo del entorno debe evitarse en la medida de lo posible, por lo que se recomienda almacenamiento en lugar seco y alejado de estas y/u otras partículas. También se recomienda lavarse las manos antes y después del uso y manipularlo con guantes. El usuario debe evitar exposición prolongada a la humedad.

Se recomienda una boquilla para imprimir filamento conductor de al menos 0,4 / 0,5 mm. La boquilla de la impresora 3D debe lavarse siempre antes y después de usar el filamento para evitar complicaciones de impresión. El filamento conductor tiende a pegarse a boquillas de latón por lo que se recomienda limpiar la superficie externa de la boquilla antes de imprimir con aceite (técnico o doméstico) o lubricante para reducir la acumulación de material en el exterior de la boquilla durante la impresión. También se puede usar pintura repelente al plástico.

Imagen 2: Pintura repelente al plástico. Fuente: Sliceengineering.

Las propiedades intrínsecas del filamento conductor son tales que no debe dejarse inactivo en el extrusor de la impresora 3D (mientras no imprime) ya que puede expandirse y causar obstrucción de la boquilla (clogging). Por tanto, tras la impresión, el filamento debe retirarse lo antes posible del extrusor y usar filamento de limpieza.

Imagen 3: Filamento de limpieza. Fuente: Smart Materials.

También es muy importante imprimir a la temperatura recomendada, ya que si se imprime a temperatura más baja, la viscosidad del fundido no será óptima, por lo que se expandirá y obstruirá la boquilla; y en caso de imprimir a temperatura más alta, resultará en una degradación parcial junto con una agregación sustancial de nanomateriales produciendo también obstrucción de la boquilla.

En caso de obstrucción total de la boquilla, intentar desbloquearla calentando la boquilla a 200 °C e intentar retirar la obstrucción con hilo de cobre, o intentar fundir ABS o PLA (filamentos rígidos) para arrastrar el material atrapado, o sumergir en acetona, etc. En caso de no poder resolver el problema, será necesario cambiar la boquilla por una nueva. Para evitarlo, se deben tener en cuenta todos los consejos mencionados.

Por otro lado, también es muy importante tener la base de la impresora 3D perfectamente nivelada, de lo contrario se acumulará una cantidad significativa de material en la superficie externa de la boquilla, que al solidificarse obstruirá el flujo del fundido. Por tanto, la superficie externa de la boquilla fría debe limpiarse con alcohol si esto ocurre.

Filamentos conductivos en el mercado

PLA Conductivo (Proto-Pasta): Con temperatura de reblandecimiento similar al PLA, el filamento conductor de Proto-Pasta es más flexible, pero tiene menos adherencia entre capas. Viable para controlar cualquier elemento a través de una resistencia de 1 Kohm, es ideal en circuitos de baja tensión, teclados digitales que requieren baja conductividad, arduino, sensores táctiles, robótica y electrónica.

Filamento Koltron G1 grafeno (Addnorth): Dopado con Grafeno Aros, un grafeno desarrollado y patentado por la empresa Graphmatech y con matriz basada en fluoruro de polivinilideno (PVDF), un plástico avanzado que tiene excelentes propiedades mecánicas, químicas y térmicas, el filamento Koltron G1 tiene una resistividad volumétrica de solo 2 Ω-cm.

Filaflex Conductive (Recreus): A continuación, analizaremos este filamento más de cerca.

Filaflex Conductive (Recreus)

El Filaflex Conductive es un filamento TPU elástico flexible. Con una dureza 92A, alcanza 100 % de elongación a rotura. Tras estirarlo vuelve a su forma original, sin deformarse ni romperse, presentando excelentes propiedades mecánicas. El filamento Filaflex Conductive ofrece una resistividad volumétrica de aproximadamente 3,9 Ω-cm, mucho más alta que la de otros filamentos conductivos.

Desde el propio fabricante, se nos ofrece una serie de consejos capaces de resolver cualquier duda que pueda surgir al imprimir con este filamento:

1. Boquilla endurecida: No es necesario usarla con el filamento Filaflex Conductive. Sin embargo, en caso de uso intensivo, se recomendaría para evitar desgaste excesivamente rápido.
2. Seguridad: Imprimir con filamento Filaflex Conductive es totalmente seguro y no dañará la impresora, pero para mantenerla en condiciones óptimas es aconsejable limpiar muy bien la boquilla al terminar de imprimir con el filamento. Así se eliminará cualquier resto que haya podido quedar en el hotend. Usar filamento de limpieza tras la impresión es un paso extra que también ayudará con la limpieza.
3. Material conductor: Para que el filamento sea conductor, Recreus informa que usan una formulación especial que contiene negro de carbono y es este elemento el que da conductividad al filamento Filaflex Conductive.
4. Flexibilidad: Tras imprimir con el filamento, no se pierde su característica elasticidad. La pieza final resultante será siempre flexible y eléctricamente conductora, manteniendo intactas sus otras propiedades.
5. Dureza Shore: Tiene dureza Shore 92A, lo que lo hace compatible para uso en casi cualquier impresora (bowden incluida).
6. Resistencia: Filaflex Conductive tiene una resistividad eléctrica de aproximadamente 3,9 Ω-cm, pero para asegurar el cumplimiento de sus funciones, el usuario debe tener en cuenta que la resistencia cambia según la impresión. Además, hay que considerar también la resistencia eléctrica del circuito y no olvidar que el filamento está diseñado para aplicaciones de baja corriente.
7. Adherencia entre capas: Debido a su alta carga de carbono, el calor se disipará muy rápido y la adherencia de la pieza se verá afectada según su geometría. Ajustando algunos parámetros de impresión (velocidad 20-25 mm/s, temperatura 240-255 °C, no usar ventilador de capa) el usuario podrá solucionar tal disipación rápida.

Vídeo 2: Flexibilidad y conductividad con Filaflex Conductive. Fuente: Recreus.

En conclusión, los filamentos conductivos son materiales específicamente diseñados para permitir la impresión 3D de componentes electrónicos conductivos usando casi cualquier impresora 3D FDM/FFF disponible en el mercado, ampliando las capacidades de la fabricación aditiva o impresión 3D y permitiendo acortar el camino del desarrollo a la aplicación comercial.