¿Qué filamento para impresora 3D es el más fuerte? Guía experta sobre durabilidad y rendimiento

Las impresoras de la variedad FDM/FFF (modelado por deposición de filamentos/fabricación de filamentos fundidos) construyen piezas utilizando hebras de materia prima plástica conocidas como filamentos. El plástico se funde y se extruye para construir el modelo 3D. Existen varios tipos de filamentos para impresoras 3D que son conocidos por su resistencia y durabilidad. Sin embargo, su definición del más fuerte depende de la aplicación y los requisitos específicos de la pieza impresa. 

Hay dos interpretaciones básicas de "resistencia" que pueden aplicarse al comportamiento de tracción de los filamentos de las impresoras 3D. Dependen de la eventual carga de tracción de la pieza terminada. 

En un caso, la pieza se carga en una dirección que se alinea con los filamentos. Cuando este es el caso, una alta resistencia a la tracción en el filamento en bruto se traducirá también en una buena resistencia a la tracción en el artículo terminado. 

El otro caso ocurre cuando la pieza se carga perpendicular a las capas de impresión. En este punto, el "filamento 3D más fuerte" se convierte en una expresión de la fuerza de adhesión entre filamentos unidos adyacentes, en lugar de la fuerza intrínseca del filamento. Esta última situación lleva a una definición que analiza la cuestión de la resistencia como "qué filamento se une de forma más segura". 

Ambas propiedades del filamento (junto con otras) son fundamentales si desea crear modelos de alta resiliencia, tolerantes a la flexión y resistentes a la abrasión. Debe equilibrar las demandas en la construcción final, centrándose en la resistencia a la tracción, la resistencia a la flexión, la dureza al desgaste, la dureza al impacto y más. Cada tipo de filamento puede aportar a tus modelos diferentes ventajas, pero ninguno se adapta a todas las situaciones. Recuerde también que es posible que su impresora no acepte todos los materiales de construcción posibles y que algunos filamentos tienen más restricciones de diseño que otros. Y no importa qué tipo elija, las propiedades del producto final dependerán en gran medida de la calidad del diseño y de la atención que ponga en los principios de diseño para fabricación (DFM).

Este artículo examinará varios filamentos de impresión 3D que se considera que tienen un equilibrio de propiedades y revisará algunos de los conceptos que deberá tener en cuenta al diseñar para ellos. 

¿Cuáles son los tipos de filamentos para impresoras 3D?

Los filamentos FDM/FFF vienen en muchos materiales, con una gama aún más amplia de aditivos que mejoran propiedades particulares como:resistencia a la abrasión, resistencia a la tracción y tenacidad a la flexión. A continuación se muestran los materiales base de filamento que se considera que ofrecen la mayor resistencia, dureza y durabilidad en modelos impresos en 3D:

1. Policarbonato

Los filamentos de policarbonato (PC) producen modelos de alta resistencia, tenacidad y resistencia al calor. A lo largo de la dirección axial del filamento, tiene una resistencia a la tracción de 66 MPa. Sus ventajas incluyen:alta resistencia, tolerancia a la temperatura y claridad óptica. Por otro lado, puede resultar difícil imprimir con PC y tiene mala tendencia a absorber la humedad. La PC cuesta entre 70 y 200 dólares por kg con un diámetro de 1,75 mm. Para obtener más información, consulte nuestra guía sobre ¿Qué es el policarbonato?

2. nailon

Los modelos fabricados con filamentos de nailon son conocidos por su resistencia y resistencia al desgaste. El material tiene una resistencia a la tracción de 50 a 90 MPa, según el grado. El nailon es un material resistente y económico. Sin embargo, puede resultar difícil imprimir modelos de calidad y el material se debilita gravemente cuando su contenido de humedad cae demasiado. El nailon se puede comprar a 40-100 dólares el kg con un diámetro de 1,75 mm. Para obtener más información, consulte nuestra guía sobre Todo sobre el filamento de impresión 3D de nailon.

3. TPU

El poliuretano termoplástico (TPU) construye artículos altamente resistentes y elásticos que pueden soportar impactos y abrasión importantes. Su elasticidad inherente lo convierte en un material "fuerte" en muchos aspectos. El TPU tiene una resistencia a la tracción de 50 MPa. El problema es que puede obstruir fácilmente los inyectores de la impresora y debe imprimirse lentamente. El TPU cuesta entre 30 y 60 dólares el kg con un diámetro de 1,75 mm. Para obtener más información, consulte nuestra guía sobre Poliuretano Termoplástico, Ingeniería (ETPU).

¿Qué se entiende por resistencia a la tracción del filamento de la impresora 3D?

La resistencia a la tracción de un filamento de impresión 3D describe la carga de tracción máxima que un filamento puede soportar antes de fracturarse o sufrir un estiramiento permanente (inelástico e irrecuperable). Los polímeros termoplásticos, como los utilizados en la impresión FDM/FFF, tienen límites de carga de extensión elástica. Cuando la carga está por debajo del límite elástico del filamento, volverá a las dimensiones originales una vez que se retire esa carga. Cuando se excede su tensión de carga elástica, se produce una deformación permanente o una fractura.

¿Qué se entiende por resistencia al impacto del filamento de la impresora 3D?

La resiliencia al impacto de un filamento de impresión 3D es la medida de la reacción del filamento ante un impacto repentino o una carga de choque. Un material resistente debería absorber la energía del impacto y deformarse sin fracturarse. Es una propiedad importante para los materiales utilizados en piezas mecánicas, juguetes y equipos de protección, por ejemplo.

Cabe señalar que la resistencia al impacto de un artículo impreso en 3D no está determinada únicamente por el filamento independiente. Factores como:dirección de construcción en relación con el impacto, construcción/densidad del relleno de celosía "interna" y fusión de capas de filamentos también afectan su rendimiento. En muchos casos, estos factores serán colectivamente más importantes que las características de impacto del filamento en bruto. 

¿Cuáles son otras métricas de resistencia utilizadas para los filamentos de impresoras 3D?

Los filamentos de impresora tienen otras propiedades relacionadas con la resistencia que pueden ser críticas para su proceso de diseño. También hay propiedades de mantenimiento de la resistencia que deben tenerse en cuenta en este análisis. Si bien estas pueden ser propiedades del filamento, es más útil verlas como propiedades de un modelo. , construido usando un tipo de filamento . Estas métricas de fuerza se enumeran a continuación:

1. Resistencia a la flexión: Mide la resistencia de un filamento o modelo a la fractura o distorsión permanente cuando se somete a una fuerza de flexión. 
2. Elongación de rotura: Mide la capacidad de un filamento o modelo para resistir la fractura bajo cargas de tracción constantes al sufrir una distorsión permanente (inelástica) a medida que aumenta la carga. Cuando finalmente se produce una fractura, la deformación plástica se podrá medir en ambos lados de la fractura.
3. Resistencia al corte: Mide la capacidad de un material o modelo para resistir fracturas o deformaciones bajo carga de corte. La resistencia al corte del material a granel está sólo ligeramente relacionada con la resistencia al corte de una pieza impresa. Las situaciones de carga cortante suelen ser complejas y no representan un corte puro del material. Esto hace que los resultados reales de las pruebas dependan mucho más de la orientación de la impresión, el diseño de la pieza y los escenarios de carga que de las propiedades básicas del filamento.
4. Resistencia a la compresión: Mide la capacidad de un filamento o modelo para resistir fuerzas que lo comprimen o aplastan. Esto es distinto de la propensión del modelo a flexionarse en su conjunto bajo compresión, una situación que depende en cambio de la resiliencia a la flexión. En realidad, la resistencia a la compresión del filamento se relacionará sólo ligeramente con la de una impresión 3D, a menos que la impresión sea sólida y extremadamente simple en términos de sección transversal. 
5. Resistencia a la abrasión: Mide la resistencia de la superficie de un modelo de filamento a fallas por desconchado o trituración cuando se desgasta repetidamente con un material igualmente duro (o más duro).
6. Resistencia a la fatiga: Define la tolerancia del material hacia la carga cíclica que se acerca a sus límites físicos. La tasa de deformación, el tiempo de recuperación y el recuento total de ciclos para dicha carga pueden afectar negativamente al material. Esto puede ser una función de la dirección de construcción y otros parámetros de construcción, así como de las propiedades clave del material en sí. 
7. Resistencia al desgarro: Mide la capacidad de un filamento y del modelo para resistir el desgarro. Esto será función de los parámetros de impresión cuando el corte se realice a lo largo de los planos de la capa. Sólo cuando el desgarro se produce en la dirección axial del filamento, esta resistencia se basa completamente en las propiedades intrínsecas del material. El desgarro y el cizallamiento son modos estrechamente relacionados.
8. Resistencia al calor: Define la capacidad de un modelo para conservar sus otras propiedades a medida que aumentan las temperaturas. Si el polímero tiene una temperatura de transición vítrea alta, tolerará temperaturas de uso más altas antes de debilitarse.
9. Resistencia a la fluencia: Define la capacidad de un modelo para conservar su estabilidad dimensional bajo una carga constante que continúa durante períodos prolongados.
10. Resistencia química: Define la capacidad de un material para mantener sus propiedades cuando se expone a productos químicos agresivos como disolventes, ácidos y bases, o condiciones como la exposición a los rayos UV. 

Algunos de los parámetros anteriores se alinearán estrechamente con las propiedades básicas del material del filamento, mientras que otros dependen en gran medida del diseño y la configuración del artículo impreso. 

¿Qué es el filamento para impresoras 3D?

El filamento de impresora 3D es la materia prima de polímero que se alimenta a través de la extrusora de la impresora y se funde para la construcción de modelos impresos. Esta materia prima puede ser cualquiera de una variedad de polímeros y puede contener otros aditivos que modifican las propiedades del polímero. La materia prima del filamento se entrega en rollos listos para instalar que suministran material al extrusor desde una posición fija, a través de una guía. El filamento es agarrado por un mecanismo alimentador de engranajes o ruedas de presión que lo sacan del carrete y lo empujan a través de la boquilla calentada del extrusor cuando es necesario.

¿Qué es un polímero de alto rendimiento?

Los polímeros de alto rendimiento se diferencian de los materiales más peatonales por una serie de posibles características del material. Los materiales de alto rendimiento suelen ser superiores en al menos una de estas características: 

1. Resistencia a la tracción
2. Resistencia al corte
3. Resistencia a la flexión
4. Límite de temperatura antes de que las propiedades comiencen a degradarse
5. Resiliencia química
6. Resistencia al desgaste
7. Resistencia a la fluencia
8. Elasticidad

¿Qué es el filamento compuesto?

Los filamentos compuestos para FDM/FFF son filamentos de impresión 3D que incluyen aditivos dentro del polímero del filamento básico. Para mejorar propiedades particulares de los polímeros de impresión básicos y de alto rendimiento se utilizan aditivos como fibra de madera, polvos metálicos, fibra de carbono o Kevlar® y muchos otros materiales. Los compuestos están destinados a mejorar las propiedades o la funcionalidad con respecto a las de los polímeros puros. 

Las fibras de madera con secciones transversales redondas y superficies lisas mejoran la resistencia, rigidez y densidad de las piezas impresas. Los filamentos cargados de Kevlar®, fibra de carbono o grafeno tienden a tener resistencia, tenacidad y rigidez superiores. En proporciones suficientemente grandes, el grafeno puede incluso hacer que el material sea conductor de electricidad. Los filamentos que contienen polvos de bronce, cobre y acero inoxidable no ofrecen mayor resistencia, pero pueden crear apariencias metálicas. Los filamentos compuestos permiten modificar una o más propiedades de las piezas impresas en 3D, pero existen problemas de impresión que pueden dificultar el uso de dichos materiales en máquinas más simples.

¿Cuál es el filamento para impresora 3D más resistente que puedo elegir?

El filamento de impresora 3D más resistente dependerá de aspectos específicos como:tipo de carga esperado, intensidad de carga, orientación de diseño y construcción y densidad de relleno de la pieza impresa en 3D. Sin embargo, los siguientes son los filamentos para impresoras 3D más resistentes disponibles actualmente:

1. Nylon reforzado con fibra de carbono: Esto combina la mejora de la resistencia de los aditivos de fibra de carbono con la dureza y durabilidad del nailon, lo que lo convierte generalmente en el material de impresión 3D más resistente.
2. Policarbonato: La PC es un filamento resistente y duradero que puede soportar altas temperaturas. Ofrece una excelente resistencia al impacto, entre otras propiedades de rendimiento de alto nivel.
3. Polieterimida (Ultem/PEI): Ultem, un termoplástico con excelente resistencia, resistencia al calor y resistencia química, tiene un amplio uso en la creación de prototipos de componentes aeroespaciales.

Es importante tener en cuenta que estos filamentos a menudo requerirán configuraciones de impresora especializadas y es posible que no sean compatibles con impresoras FDM/FFF más simples. Pueden ser considerablemente más difíciles de imprimir, por lo que es importante practicar con estos materiales de alto rendimiento antes de intentar construir modelos funcionales con limitaciones de tiempo.