¿Cuál es el Filamento de Impresora 3D Más Fuerte? Guía Experta de Durabilidad y Rendimiento

Las impresoras de la variedad FDM/FFF (Modelado por Deposición de Filamento / Fabricación de Filamento Fundido) construyen piezas usando hebras de materia prima plástica conocidas como filamentos. El plástico se funde y extruye para construir el modelo 3D. Hay varios tipos de filamentos de impresora 3D conocidos por su resistencia y durabilidad. Su definición del más fuerte, sin embargo, depende de la aplicación específica y requisitos de la pieza impresa.

Hay dos interpretaciones básicas de «resistencia» que pueden aplicarse al comportamiento tensil de los filamentos de impresora 3D. Dependen de la carga tensil eventual 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, la alta resistencia tensil en el filamento crudo se traducirá en buena resistencia tensil en el artículo terminado también.

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

Ambas propiedades de filamento (junto con otras) son críticas si quiere construir modelos de alta resiliencia, tolerantes a la flexión y resistentes a la abrasión. Debe equilibrar las demandas en la construcción final, apuntando a resistencia tensil, resistencia a la flexión, dureza en desgaste, tenacidad al impacto y más. Cada tipo de filamento puede dar a sus modelos diferentes ventajas, pero ninguno servirá para todas las situaciones. Recuerde también que su impresora puede no aceptar todos los materiales de construcción posibles, y algunos filamentos tienen más restricciones de diseño que otros. Y sin importar qué tipos elija, las propiedades del producto final dependerán en gran medida de la calidad del diseño y el pensamiento que ponga en los principios de diseño para fabricación (DFM).

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

¿Cuáles son los Tipos de Filamento de Impresora 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 tensil y tenacidad a la flexión. A continuación se muestran los materiales base de filamento que se consideran ampliamente que ofrecen la mayor resistencia, tenacidad 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 tensil de 66 MPa. Sus ventajas incluyen: alta resistencia, tolerancia a la temperatura y claridad óptica. Por otro lado, PC puede ser difícil de imprimir y tiene una mala tendencia a absorber humedad. PC cuesta $70-200 por kg a 1.75 mm de diámetro. Para más información, consulte nuestra guía sobre ¿Qué es el Policarbonato?

2. Nylon

Los modelos construidos con filamento de nylon son conocidos por su resistencia y resistencia al desgaste. El material tiene una resistencia tensil de 50-90 MPa dependiendo del grado. El nylon es un material resistente e económico. Sin embargo, puede ser difícil imprimir modelos de calidad, y el material se debilita severamente cuando su contenido de humedad cae demasiado bajo. El nylon se puede comprar a $40-100 por kg a 1.75 mm de diámetro. Para más información, consulte nuestra guía sobre Todo Sobre Filamento de Nylon para Impresión 3D.

3. TPU

El poliuretano termoplástico (TPU) construye artículos altamente resistentes y elásticos que pueden soportar impactos significativos y abrasión. Su elasticidad inherente hace de este un material «fuerte» en muchos aspectos. TPU tiene una resistencia tensil de 50 MPa. El problema es que puede obstruir fácilmente las boquillas de la impresora y debe imprimirse lentamente. TPU cuesta $30-60 por kg a 1.75 mm de diámetro. Para más información, consulte nuestra guía sobre Poliuretano Termoplástico, Ingeniería (ETPU).

¿Qué se Entiende por Resistencia Tensil para el Filamento de Impresora 3D?

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

¿Qué se Entiende por Resistencia al Impacto para el Filamento de Impresora 3D?

La resiliencia al impacto para un filamento de impresión 3D es la medida de la reacción del filamento a impacto repentino o carga de choque. Un material fuerte debe absorber la energía del impacto y deformarse sin fracturarse. Es una propiedad importante para materiales usados en piezas mecánicas, juguetes y equipo de protección, por ejemplo.

Debe notarse que la resiliencia al impacto de un artículo impreso en 3D no está determinada únicamente por el filamento independiente. Factores como: dirección de construcción relativa al impacto, construcción/densidad de relleno de celosía «interno», y fusión de capas de filamento también afectan su rendimiento. En muchos casos, estos factores serán colectivamente más significativos que las características de impacto del filamento crudo.

¿Qué Otras Métricas de Resistencia se Usan para Filamentos de Impresora 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 resistencia que deben tenerse en cuenta en este análisis. Aunque estas pueden ser propiedades del filamento, es más útil ver estas como propiedades de un modelo, construido usando un tipo de filamento. Estas métricas de resistencia 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 a la Rotura: Mide la capacidad de un filamento o modelo para resistir la fractura bajo cargas tensiles constantes sufriendo distorsión permanente (inelástica) a medida que aumenta la carga. Cuando eventualmente ocurre una fractura, la deformación plástica será medible a ambos lados de la fractura.
3. Resistencia al Corte: Mide la capacidad de un material o modelo para resistir fractura o deformación bajo carga de corte. La resistencia al corte del material a granel está solo ligeramente relacionada con la resistencia al corte de una pieza impresa. Las situaciones de carga de corte son a menudo complejas y no representan corte puro del material. Esto hace que los resultados de prueba reales dependan mucho más de la orientación de impresión, diseño de pieza y escenarios de carga que de la propiedad básica del filamento.
4. Resistencia a la Compresión: Mide la capacidad de un filamento o modelo para soportar fuerzas que comprimen o aplastan. Esto es distinto de la propensión del modelo a flexionarse en su conjunto bajo compresión —una situación que depende de la resiliencia a la flexión en su lugar. En realidad, la resistencia a la compresión del filamento se relacionará solo 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 la falla por descamación o molienda cuando se abrade repetidamente por un material similarmente duro (o más duro).
6. Resistencia a la Fatiga: Define la tolerancia del material hacia carga cíclica que se acerca a sus límites físicos. Tasa de deformación, tiempo de recuperación y cuenta total de ciclos para tal carga pueden afectar negativamente al material. Eso puede ser una función de la dirección de construcción y otros parámetros de construcción tanto como las propiedades clave del material en sí.
7. Resistencia al Desgarro: Mide la capacidad de un filamento y el modelo para resistir el desgarro. Esto será una función de los parámetros de impresión cuando el desgarro es a lo largo de los planos de capa. Solo cuando el desgarro ocurre en la dirección axial del filamento, esta resistencia se basa completamente en las propiedades intrínsecas del material. Desgarro y corte son modos estrechamente relacionados.
8. Resistencia al Calor: Define la capacidad de un modelo para retener sus otras propiedades a medida que suben las temperaturas. Si el polímero tiene una alta temperatura de transición vítrea, tolerará temperaturas de uso más altas antes de debilitarse.
9. Resistencia al Flujo (Creep): Define la capacidad de un modelo para retener su estabilidad dimensional bajo una carga constante que continúa por períodos prolongados.
10. Resistencia Química: Define la capacidad de un material para mantener sus propiedades cuando se expone a químicos agresivos como solventes, ácidos y bases, o condiciones como exposición UV.

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

¿Qué es el Filamento para Impresoras 3D?

El filamento de impresora 3D es la materia prima polimérica que se alimenta a través del extrusor de la impresora y se funde para la construcción de modelos impresos. Esta materia prima puede ser cualquiera de una gama de polímeros y puede contener otros aditivos que modifiquen las propiedades del polímero. La materia prima de filamento se entrega en bobinas listas para instalar que suministran material al extrusor desde una posición fija, a través de una guía. El filamento es agarrado por un mecanismo de alimentación de engranajes o ruedas de pellizco que lo jalan del carrete y lo empujan a través de la boquilla calentada del extrusor cuando se requiere.

¿Qué es un Polímero de Alto Rendimiento?

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

1. Resistencia tensil
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. Resiliencia al desgaste
7. Resistencia al flujo
8. Elasticidad

¿Qué es Filamento Compuesto?

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

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

¿Cuál es el Filamento de Impresora 3D Más Fuerte que Puedo Elegir?

El filamento de impresora 3D más fuerte dependerá de especificidades como: tipo de carga esperado, intensidad de carga, orientación de construcción-diseño y densidad de relleno de la pieza impresa en 3D. Sin embargo, los siguientes son los filamentos de impresora 3D más fuertes disponibles actualmente:

1. Nylon Reforzado con Fibra de Carbono: Esto combina la mejora de resistencia de aditivos de fibra de carbono con la tenacidad y durabilidad del nylon, haciéndolo generalmente el material de impresión 3D más fuerte.
2. Policarbonato: PC es un filamento resistente y duradero que puede soportar altas temperaturas. Ofrece excelente resistencia al impacto, entre otras propiedades de rendimiento de alto nivel.
3. Polietereimida (Ultem / PEI): Un termoplástico con excelente resistencia, resistencia al calor y resistencia química, Ultem ve amplio uso en prototipado de componentes aeroespaciales.

Es importante notar que estos filamentos a menudo requerirán ajustes de impresora especializados y bien pueden no ser 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 bajo restricciones de tiempo.