La fabricación aditiva se puede utilizar con una amplia gama de materiales , desde termoplásticos de alto rendimiento como el PEEK hasta metales aptos para la industria aeroespacial como el titanio.
En ocasiones, los ingenieros desean combinar las propiedades de dos materiales diferentes, y una de las mejores maneras de lograrlo es mediante el uso de materiales compuestos . Empleados en procesos como FDM y SLS (así como en tecnologías novedosas), los materiales compuestos suelen contener un material termoplástico base y un elemento de refuerzo, como la fibra de carbono. La proporción entre ambos elementos puede variar, al igual que el método de integración del material de refuerzo.
A medida que las tecnologías de impresión 3D siguen mejorando, el uso de materiales compuestos imprimibles en 3D se está generalizando. Su uso no se limita a la industria: si bien algunos materiales compuestos (como los polvos SLS) están dirigidos principalmente a usuarios industriales , otros (como los termoplásticos reforzados con fibra cortada) pueden utilizarse en impresoras 3D FDM de gama media para consumidores y profesionales . Si está explorando materiales avanzados o necesita asistencia experta, los servicios de impresión 3D de 3ERP pueden ayudarle a dar vida a sus diseños con precisión y rapidez.
Este artículo sirve como guía introductoria a la impresión 3D de materiales compuestos. Analiza algunos materiales compuestos populares y tecnologías de impresión de compuestos, explica la diferencia entre compuestos de fibra cortada y de fibra continua, y considera las principales aplicaciones y ventajas de la impresión 3D de compuestos.
¿Qué son los materiales compuestos para impresión 3D?
En pocas palabras, un material compuesto es un material formado por dos o más materiales diferentes . Markforged, especialista en impresión 3D de materiales compuestos, define los materiales compuestos como aquellos formados por más de un material que, al combinarse, presentan propiedades diferentes a las de sus materiales originales.
Algunos ejemplos de materiales compuestos, además de la impresión 3D, son el contrachapado (capas de diferentes chapas de madera) y el hormigón armado (hormigón reforzado con barras de acero).
En la impresión 3D, los materiales compuestos suelen ser una combinación de un material base termoplástico (una matriz) y un elemento de refuerzo como fibra de carbono, fibra de vidrio, grafeno o kevlar . (Cabe destacar que una mezcla de dos termoplásticos, como PLA + ABS, se denomina generalmente mezcla , no material compuesto). Los materiales base pueden ser prácticamente cualquier cosa, pero los usuarios industriales suelen utilizar termoplásticos de alta calidad que presentan buenas características incluso sin elementos de refuerzo; entre estos plásticos se incluyen el policarbonato (PC), el nailon y el PEEK.
Los materiales compuestos pueden adoptar diferentes formas, siendo las más comunes los polvos mezclados para la sinterización selectiva por láser (SLS) y los filamentos mezclados para el modelado por deposición fundida (FDM) . Menos comunes, pero particularmente interesantes, son los materiales compuestos formados por un material base combinado con fibras continuas que, mediante procesos innovadores, pueden insertarse o tejerse en matrices termoplásticas durante la impresión. Estos procesos suelen requerir dos boquillas: una para depositar el termoplástico y otra para distribuir las fibras continuas. Finalmente, también existe un número limitado de resinas compuestas para procesos de impresión 3D por fotopolimerización en cuba, como la estereolitografía (SLA); con esta tecnología, los materiales base de resina termoestable pueden curarse alrededor de un esqueleto de fibra de refuerzo.
Materiales compuestos populares para impresión 3D
Ya sea en polvo, filamento u otra forma, los materiales compuestos para impresión 3D se desarrollan generalmente por su alta resistencia , rigidez , buena estabilidad dimensional y excelente relación resistencia-peso . Las fibras son excepcionalmente ligeras y pueden mejorar drásticamente la resistencia de un termoplástico sin aumentar su masa. Los compuestos de ingeniería impresos en 3D incluso pueden utilizarse como sustituto del metal.
Los termoplásticos básicos para la impresión 3D FDM abarcan desde polímeros comunes como el PLA y el ABS , de menor precio, hasta polímeros de alto rendimiento como el PEEK, de gama alta. El nailon es el material principal utilizado para los polvos compuestos SLS (al igual que el material principal utilizado en la sinterización láser en general), pero también se pueden utilizar materiales de alto rendimiento como el PAEK.
En general, al analizar los materiales compuestos (incluyendo aquellos que no se utilizan en la impresión 3D), la fibra de vidrio es el material de refuerzo más popular, y también se encuentra ampliamente en los compuestos impresos en 3D. Sin embargo, dentro de la fabricación aditiva, las fibras de carbono se utilizan mucho más que el vidrio, ya que la impresión 3D de compuestos se emplea en numerosas aplicaciones críticas donde la resistencia superior del carbono justifica el costo adicional. Otros materiales de refuerzo incluyen Kevlar y grafeno.
Materiales base
- Poliamida/nylon (PA):
- Acrilonitrilo butadieno estireno (ABS)
- Ácido poliláctico (PLA)
- Policarbonato (PC):
- Polieterimida (PE)
- Sulfuro de polifenileno (PPS)
- Poliéter éter cetona (PEEK)
- Poliariletercetona (PAEK)
Refuerzos
- Fibra de carbon
- Fibra de vidrio
- Cuentas de vidrio
- Kevlar
- El grafeno
- Otros metales
Algunos ejemplos de materiales compuestos de marca en el mercado incluyen el PA 640-GSL de EOS , un polvo de nailon PA 12 SLS reforzado con microesferas de vidrio y fibras de carbono; el CarbonX PETG+CF de 3DXTech , un filamento PETG FDM reforzado con fibra de carbono picada; y el Onyx de Markforged , un material base de nailon relleno de fibra de carbono que también se puede reforzar con fibras continuas utilizando la tecnología de impresión de compuestos patentada de Markforged.
Procesos de impresión 3D para materiales compuestos
Salvo algunas excepciones, las principales tecnologías de impresión 3D para la impresión 3D de materiales compuestos son el modelado por deposición fundida (FDM), la sinterización selectiva por láser (SLS) y las nuevas tecnologías para la impresión de fibra continua.
FDM
La FDM es el proceso de impresión 3D más utilizado para piezas de plástico, y muchas impresoras de gama media son capaces de procesar materiales compuestos como el ABS reforzado con fibra de carbono. Los materiales compuestos para FDM constan de un material base termoplástico y (generalmente) fibras discontinuas cortadas. Estas fibras pueden fortalecer y rigidizar las piezas impresas, pero en grandes cantidades también pueden dificultar la impresión del filamento y afectar negativamente la calidad de la superficie.
SLS
La sinterización selectiva por láser (SLS) es otro proceso de impresión 3D de plástico adecuado para la producción de piezas compuestas. Debido al costo y la complejidad de los sistemas SLS, esta tecnología se utiliza principalmente en la industria. Los materiales son una mezcla de polvos termoplásticos (a menudo nailon) y elementos de refuerzo como fibras cortadas o microesferas de vidrio. Cabe destacar que los polvos compuestos para SLS no son universales; fabricantes de hardware como EOS producen máquinas específicas para la impresión de materiales compuestos.
Nuevos procesos de fibra continua
Una de las áreas más vanguardistas de la fabricación aditiva es la impresión de materiales compuestos con fibras continuas, un concepto que se explica en la siguiente sección. Empresas como Markforged, Desktop Metal, Orbital Composites, 9T Labs y Anisoprint han desarrollado hardware para la fabricación aditiva de materiales compuestos que permite integrar fibras continuas en piezas termoplásticas durante la impresión, generalmente mediante la alimentación de fibras continuas en cada capa individual utilizando una boquilla independiente.
Compuestos de fibra cortada frente a compuestos de fibra continua
Los materiales compuestos para impresión 3D con fibras de refuerzo se pueden dividir en dos categorías distintas: compuestos de fibra cortada y compuestos de fibra continua. Por lo tanto, aunque dos compuestos diferentes contengan exactamente los mismos materiales constituyentes, su comportamiento puede variar considerablemente según si utilizan fibras cortadas o continuas.
- fibras picadas son diminutas hebras de material de refuerzo como carbono o Kevlar. Normalmente miden menos de un milímetro En longitud, estas hebras se pueden mezclar fácilmente en una matriz termoplástica (PLA, ABS, etc.), lo que le da al plástico común mayor resistencia y rigidez. Las fibras cortadas son increíblemente útiles porque son altamente versátil: se pueden mezclar con una amplia variedad de termoplásticos, y los compuestos resultantes se pueden imprimir en impresoras 3D comunes. Sin embargo, cuando las fibras cortadas se mezclan con un material base, cada fibra individual adquiere una orientación aleatorialo que hace que el material sea menos resistente que un material con fibras continuas.
- fibras continuas, por otro lado, son más largo, unidireccional hebras de material de refuerzo que, al integrarse en una matriz termoplástica, proporcionaron una resistencia muy superior en comparación con las fibras cortadas. Esto se debe a que una hebra puede absorber y distribuir cargas a lo largo de toda su longitud, por lo que una longitud continua más larga tiene mayor capacidad de carga que una pequeña hebra cortada. Solo en los últimos cinco años, aproximadamente, la impresión 3D de compuestos de fibra continua se ha popularizado, con varios fabricantes desarrollando sus propias tecnologías. Huelga decir que la impresión de compuestos de fibra continua es más cara que la de compuestos de fibra cortada, ya que requiere hardware específico.
Aplicaciones de materiales compuestos
Los materiales compuestos tienen múltiples usos en diversas industrias, y sus aplicaciones abarcan prototipos , piezas de uso final y herramientas.
Los sectores que utilizan la fabricación aditiva y la impresión 3D de materiales compuestos incluyen el aeroespacial, el automotriz, el electrónico, el de bienes de consumo, el médico y el industrial . La mayoría de estas industrias utilizan la impresión 3D de materiales compuestos para fabricar piezas de alta rigidez y tamaño reducido (aunque algunos equipos de extrusión de gran formato también son capaces de imprimir materiales compuestos).
La fabricación de herramientas, tanto a pequeña como a gran escala, es una aplicación especialmente relevante para la impresión 3D de materiales compuestos, ya que los materiales reforzados son ideales para moldes y herramientas de extremo de brazo.
En lo que respecta a tecnologías específicas, la impresión 3D de fibra continua ofrece el mayor abanico de aplicaciones potenciales (en comparación con FDM o SLS), aunque todavía está en sus inicios y no se utiliza tan ampliamente como las técnicas de impresión 3D de fibra cortada.
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