Comprensión del filamento de impresión 3D de hierro magnético:materiales, propiedades y aplicaciones

¿Qué es la impresión 3D con hierro magnético?

La impresión 3D con hierro magnético es el uso de filamentos de plástico rellenos de hierro para imprimir en 3D piezas que parecen metálicas. La impresión con este filamento se realiza mediante un proceso completamente diferente a las técnicas utilizadas para la impresión de metal en polvo, como DMLS y SLM, que funden y fusionan el polvo de metal a granel para construir piezas metálicas. Por el contrario, las piezas terminadas impresas con filamento de hierro magnético siguen siendo una matriz plástica con relleno metálico. Si bien las piezas impresas con filamento de hierro magnético tienen una apariencia metálica, su resistencia y durabilidad son casi las mismas que las del polímero PLA original. Las piezas impresas con estos filamentos especiales pueden ser más frágiles que el PLA estándar. El uso de estos filamentos para imprimir piezas hará que las piezas terminadas sean ferromagnéticas, lo que significa que los materiales magnéticos se adherirán a ellas. Para obtener más información, consulte nuestra guía de impresión 3D.

¿Cuál es la composición del filamento de hierro magnético?

La composición del filamento de impresión 3D de hierro magnético depende del fabricante del filamento. Sin embargo, en general, el porcentaje de hierro magnético en un filamento es aproximadamente del 5 al 15 % del volumen o peso total del filamento. El porcentaje en volumen o peso restante comprende el material termoplástico base. Los porcentajes más altos de hierro dan como resultado un acabado más metálico y propiedades ferromagnéticas más fuertes, pero darán como resultado trabajos de impresión más difíciles y piezas quebradizas. Además de PLA, ABS y Nylon, también se pueden rellenar con polvos de hierro para fabricar filamentos magnéticos.

¿Cuáles son las propiedades del filamento de hierro magnético?

A pesar de tener una apariencia metálica, las piezas impresas con filamento de hierro magnético no comparten muchas características con los metales reales. La siguiente lista describe algunas propiedades de los filamentos de hierro magnéticos:

1. Producen piezas con brillo metálico.
2. Tienen propiedades ferromagnéticas (el hierro y otros materiales magnéticos son atraídos por las piezas impresas con filamentos de hierro magnético para impresión 3D).
3. Tienen resistencia y propiedades (mecánicas, térmicas, eléctricas, químicas, grado de biodegradabilidad y reciclabilidad) más similares al material de matriz termoplástica primaria que al metal añadido.
4. Tienen una densidad de alrededor de 1,5 veces mayor que el material de filamento de polímero base.
5. Las partículas de polvo metálico son abrasivas, lo que aumenta la tasa de desgaste de la boquilla de extrusión de la impresora en comparación con el filamento de solo plástico.
6. La capacidad de puenteo y soporte es pobre debido a la mayor densidad del filamento debido a los polvos de hierro.

Comparación de las propiedades de los filamentos de hierro magnético

La tabla 1 a continuación muestra una comparación de algunos de los atributos de varios filamentos de impresión 3D:

Tabla 1:Características del PLA magnético relleno de hierro frente al PLA frente al ABS

Propiedad PLA magnético relleno de hierro PLA estándar ABS

Propiedad

Dureza

PLA magnético relleno de hierro

Bajo

PLA estándar

Base

ABS

Alto

Propiedad

Flexibilidad

PLA magnético relleno de hierro

Mínimo

PLA estándar

Algunos

ABS

Más

Propiedad

Densidad

PLA magnético relleno de hierro

Hasta 1,5 x filamento base

PLA estándar

Base

ABS

Bajo

Propiedad

Apariencia

PLA magnético relleno de hierro

Metálico

PLA estándar

Brillante

ABS

Brillante

Propiedad

Desgaste de la boquilla durante la impresión

PLA magnético relleno de hierro

Superior

PLA estándar

Estándar

ABS

Estándar

Propiedad

Capacidad de conexión y soporte

PLA magnético relleno de hierro

pobre

PLA estándar

Bueno

ABS

Bueno

Propiedad

¿Biodegradable?

PLA magnético relleno de hierro

Sí

PLA estándar

Sí

ABS

No

¿Cuáles son las limitaciones de la impresión 3D con hierro magnético?

Los filamentos rellenos de metal tienen fama de ser difíciles de imprimir y no se diferencian de los filamentos de hierro magnéticos. Las limitaciones de la impresión 3D con hierro magnético se relacionan con la configuración de impresión y su impacto en la calidad de la pieza final. Un desafío es que las finas partículas de polvo de hierro magnético dentro del filamento desgastan la punta de la boquilla, lo que provoca un desgaste acelerado. 

Otra limitación es la escasa capacidad de puenteo y soporte de salientes de los filamentos de hierro magnético. Esta limitación se debe al aumento de densidad del filamento que resulta de la adición de polvos metálicos. 

Finalmente, la fracción de polvo metálico puede provocar atascos y atascos durante la impresión. Esto significa que las configuraciones de impresión, como las velocidades y alimentaciones de impresión, el grosor de las capas y las distancias de retracción, deben ajustarse y optimizarse para encontrar la mejor configuración para una impresión en particular. En comparación con los filamentos estándar, como el PLA, las piezas impresas con filamentos de hierro magnético requieren más atención a los detalles del proceso para lograr piezas con las cualidades deseadas.

¿Por qué se utiliza el hierro magnético en la impresión 3D?

Los filamentos de impresión 3D de hierro magnético se utilizan en la impresión 3D para crear piezas que tienen apariencia metálica sin la necesidad de una costosa impresora 3D de metal o procesos tradicionales de fabricación de metal. Piezas con brillos metálicos realistas como esculturas, joyas, adornos, accesorios y réplicas son algunas de las aplicaciones más comunes de los filamentos de hierro magnético en la impresión 3D. Más allá de las piezas ornamentales y decorativas, las piezas impresas con estos filamentos se utilizan cada vez más en diversos sensores y actuadores, motores pequeños y dispositivos de almacenamiento informático. Aunque el uso de filamentos de impresión 3D de hierro magnético puede crear piezas que parecen hierro, estas piezas no tienen las características físicas o químicas del hierro. De ninguna manera se debe utilizar una pieza impresa con filamentos de hierro magnéticos en lugar de una pieza metálica, a menos que la pieza no soporte carga o sea solo estética. 

¿Cómo utilizar el hierro magnético en la impresión 3D?

Imprimir con filamentos de hierro magnéticos puede resultar más complicado que imprimir con filamentos estándar, pero no es imposible. A continuación se enumeran algunas de las mejores prácticas sobre cómo utilizar el hierro magnético en la impresión 3D:

1. Los pequeños polvos de hierro presentes en el filamento pueden desgastar y desgastar rápidamente las boquillas de latón. Utilice una boquilla resistente al desgaste hecha de acero inoxidable o endurecido para filamentos rellenos de metal. Compruebe periódicamente el estado de desgaste de su boquilla.
2. Las boquillas estándar tienen un orificio de 0,4 mm de diámetro. Las partículas de metal tienden a acumularse alrededor del orificio e impiden que los filamentos se alimenten. Para evitar que se formen grumos alrededor del orificio, utilice una boquilla con un orificio más grande (0,5-0,6 mm).
3. Debido a que los filamentos rellenos de metal son más densos que los filamentos poliméricos estándar, son más pesados para un tamaño de filamento determinado. Este aumento de peso puede provocar que el filamento se caiga o se rompa cuando las instrucciones de impresión requieren cerrar un espacio o imprimir un saliente. Si se puede evitar, evite imprimir piezas con puentes o salientes cuando utilice filamento de impresión 3D de hierro magnético.
4. Dado que los filamentos rellenos de metal son frágiles, pueden romperse o agrietarse fácilmente. Este problema puede ocurrir si la ruta de impresión del filamento tiene demasiadas esquinas afiladas entre el carrete y el extrusor. Para solucionar este problema, minimice la distancia entre el carrete y el extrusor:cuanto más cerca estén, mejor. 
5. Los polvos metálicos en el filamento dificultan que el extrusor retraiga el material fundido hacia la boquilla mientras imprime. Esta retracción produce manchas de material al principio y al final de un segmento de impresión particular. Optimice la configuración de retracción para evitar la retracción.

¿Cuáles son los mejores ajustes de configuración para la impresión 3D con hierro magnético?

Protoplant, Inc. fabrica un popular filamento magnético relleno de hierro bajo la marca Protopasta. Si bien la configuración de la impresora para filamentos rellenos de metal variará según el fabricante, las configuraciones que Protopasta recomienda para su filamento PLA magnético relleno de hierro pueden considerarse típicas y se enumeran en la Tabla 2 a continuación:

Tabla 2. Configuración de la impresora 3D de hierro magnético

Configuración de la impresora Valor

Configuración de la impresora

Temperatura de la cama

Valor

Ambiente hasta 60 ℃

Configuración de la impresora

Temperatura de la boquilla

Valor

185-215 ℃

Configuración de la impresora

Velocidad de impresión

Valor

10-20 mm/s (primera capa); 20-80 mm/s (resto de pieza)

Configuración de la impresora

Velocidad del ventilador del extrusor

Valor

10-20 % de las RPM máximas

Configuración de la impresora

Retracción 

Valor

Mínimo

Configuración de la impresora

Altura de capa

Valor

0,15-0,20 mm

Configuración de la impresora

Cama de impresión

Valor

Aplique pegamento que desaparezca, cinta de pintor o PEI

¿Cuál es la mejor velocidad de impresión 3D con plancha magnética?

Las mejores velocidades de impresión 3D para filamentos magnéticos rellenos de hierro son de 10 a 20 mm/s para la primera capa y de 20 a 80 mm/s para todas las capas posteriores. Utilice una velocidad de impresión más lenta al comienzo de la impresión para garantizar la adhesión a la base de impresión. Una vez completada la primera capa, se deben aumentar las velocidades de impresión para evitar obstrucciones y atascos en la boquilla.

¿Cuál es la temperatura de fusión del filamento de hierro magnético?

La temperatura de fusión del filamento de hierro magnético para impresión 3D es aproximadamente la misma que la del PLA estándar (180-190 ℃) para el filamento Protopasta, ya que en realidad sólo se funde el plástico, no los polvos metálicos. Sin embargo, debido a que los filamentos rellenos de metal son más frágiles que sus homólogos sin relleno, es posible que sea necesario utilizar temperaturas ligeramente más altas para reducir la fragilidad. 

¿Se requiere una cama de impresión calentada al imprimir con plancha magnética?

No, no se requiere una cama caliente cuando se imprime con filamentos magnéticos rellenos de hierro. Pero pueden resultar extraordinariamente beneficiosos. Las temperaturas más altas de la base pueden ayudar en la adhesión de la base, ayudar a reducir las tensiones residuales en las piezas impresas y ayudar a prevenir la deformación. Las camas pueden tener temperaturas que coincidan con la temperatura ambiente o alcanzar hasta 60 ℃. 

¿Cuál es un buen grosor de pared para la impresión 3D de hierro magnético?

Los buenos espesores de pared para piezas impresas con filamentos de hierro magnético son similares a los espesores de pared de su plástico base primario. Para el PLA magnético relleno de hierro, se recomienda que el espesor de la pared sea de 1,5 mm, siendo 0,8 mm el mínimo absoluto.

¿Cuál es una buena densidad de pared para la impresión 3D de hierro magnético?

Una "buena" densidad de relleno para la impresión 3D con hierro magnético se reduce a las propiedades deseadas de la pieza impresa final. Existe una correlación entre la densidad de la pared o del relleno y la resistencia de las piezas impresas en 3D resultantes. Si le preocupa mantener una alta velocidad de impresión, considere utilizar una densidad de relleno más baja (15-50%). Reducir la densidad del relleno dará lugar a piezas que potencialmente pueden doblarse y romperse fácilmente debido a la fragilidad de los filamentos rellenos de metal, pero la impresión a altas velocidades podría usarse para verificar rápidamente la geometría y la estética de las piezas. Considere la posibilidad de utilizar un relleno más denso (50-80 %) para piezas funcionales y duraderas.

¿Cuál es la diferencia entre hierro magnético y PLA en impresión 3D?

La mayor diferencia entre el filamento de impresión PLA puro y el filamento PLA magnético relleno de hierro es que el PLA magnético relleno de hierro es magnético. Estos polvos metálicos generan piezas más quebradizas y trabajos de impresión que requieren más ajustes y atención que las piezas de PLA estándar. Las piezas impresas con hierro magnético pueden tener una apariencia metálica y exhibir propiedades magnéticas, pero conservan muchas de las mismas características y propiedades que el PLA estándar.

Resumen

Este artículo presentó el filamento de impresión 3D de hierro magnético, explicó qué es y analizó los diferentes factores a considerar al usarlo en la impresión 3D. Para obtener más información sobre el filamento de impresión 3D de hierro magnético, comuníquese con un representante de Xometry.

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Dean McClements

Dean McClements es un Licenciado en Ingeniería Mecánica con honores y cuenta con más de dos décadas de experiencia en la industria manufacturera. Su trayectoria profesional incluye puestos importantes en empresas líderes como Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace y Hyster-Yale, donde desarrolló un profundo conocimiento de los procesos de ingeniería y las innovaciones.

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