Hoy existe gran variedad de materiales disponibles para la impresión 3D pero no todos cumplen con los requerimientos deseados

Aimplas desarrolla compuestos semiconductores para impresión 3D

Pilar Villanueva y Begoña Galindo, de Aimplas11/10/2016

La tecnología de impresión 3D está alcanzando una gran relevancia tanto por las posibilidades que se abren en el presente como por los usos potenciales de la misma en el corto y medio plazo. Pero su uso y aprovechamiento como tecnología no puede ir disociado de la lógica evolución, incorporación y mejora de los materiales que se emplean actualmente en las tecnologías de 3D Printing mediante deposición de hilo termoplástico fundido.

Los límites de la impresión 3D van a venir muy condicionados por la evolución técnica de los equipos y las posibilidades que ofrezcan los materiales. El empleo de materiales con prestaciones que le otorguen propiedades y funcionalidades añadidas abre el mercado de potenciales aplicaciones ampliando el mercado de productos que se podrán fabricar mediante impresión 3D.

El mercado de la industria de fabricación aditiva creció en el 2013 un 34,9%, alcanzado un negocio de 3,7 mil millones de dólares. Se prevé que el mercado crezca hasta 7 mil millones en 2016 [1].

PricewaterhouseCoopers (PwC) encuestó a 100 fabricantes y dos tercios están utilizando la impresión 3D para aplicaciones tales como la fabricación rápida de prototipos y parte personalizada. Muchas de estas empresas todavía están experimentando con la tecnología [2]. Boeing ha utilizado la impresión 3D para construir una cabina entera y produjo más de 20.000 piezas mediante el proceso [3].

Los sectores de aplicación de la impresión 3D son muy amplios, tales como la biomedicina (válvulas, prótesis, implantes, sustituciones de escayola, scaffolds para crecimiento de cartílago, etc), sector electrónico (sensores, dispositivos portátiles, etc), prototipos, piezas para insertos en moldes de inyección, textiles, etc. En la figura 2 se indican los sectores más importantes en los que la fabricación aditiva tiene una presencia importante.

Figura 1. Desglose de los sectores industriales que utilizan la fabricación aditiva [4].

Los productos impresos en 3D mediante FDM (Fused Deposition Modeling) se construyen mediante la deposición de un filamento fundido que va formando capa a capa el diseño en comparación a otros métodos de fabricación en los que el producto se obtiene a partir de un molde o se mecaniza a partir de un bloque de material de mayor tamaño. Algunas ventajas de la impresión mediante FDM son:

Disminución del tiempo desde el diseño hasta la fabricación.
Libertad de diseño para generar productos con formas nuevas, con menos residuos y a un menor costo en comparación a otros modos de fabricación.
Necesidades mínimas o no existentes en cuanto a ensamblaje.
Gran variedad para la selección de materiales.
Tecnología portátil y compacta

Tendencias en materiales para fabricación aditiva

Hoy en día existe gran variedad de materiales disponibles en el mercado adecuados para la impresión 3D, pero no todos ellos cumplen con los requerimientos deseados ya sean desde el punto de vista de las propiedades iniciales del material o de la pieza final impresa. Es necesario mejorar algunos aspectos para obtener un proceso de impresión 3D competitivo:

Desarrollo de materiales que puedan ser impresos a gran velocidad. Una impresión más rápida mejorará la productividad del proceso de impresión 3D.
Mejora del acabado superficial sin añadir tratamientos posteriores al proceso.
Control de la humedad de los filamentos durante el procesado. La mayoría de los polímeros de impresión 3D son altamente sensibles a la humedad. La humedad del ABS y el PLA puede controlarse muy bien en procesos de producción de plásticos convencionales como la extrusión y el moldeo por inyección. La humedad es la causante de la degradación de multitud de polímeros, puesto que reduce las propiedades mecánicas. Sin embargo, en impresión 3D no existe un control de esta antes y durante el procesado. Este problema ha de ser solventado para poder optimizar las propiedades mecánicas del producto final.
Mejora de las propiedades mecánicas. Las propiedades mecánicas del producto final impreso están altamente influenciadas por las propiedades intrínsecas del material, pero también por los diferentes parámetros de impresión (temperatura de fusión del filamento, velocidad de impresión, temperatura de la base, velocidad de llenado, etc.)

Las principales tendencias en el desarrollo de nuevos materiales poliméricos para la impresión 3D podríamos dividirlas en cuatro áreas:

Nuevas funcionalidades: desarrollo de polímeros con propiedades nuevas o mejoradas, tales como la conductividad eléctrica, propiedades antimicrobianas, prestaciones mecánicas mejoradas, biocompatibilidad, conductividad térmica, etc.
Propiedades estéticas: incorporación de cargas para lograr nuevos acabados superficiales, como la madera o la nanocelulosa.
Polímeros estructurales: desarrollo de nuevas formulaciones para un mejor rendimiento y comprensión de la procesabilidad de materiales estructurales.
Materiales reciclados: mejora de las propiedades reológicas y mecánicas de los materiales reciclados para la obtención de un alto valor añadido a partir de productos residuales.

Aimplas, como centro tecnológico con amplia experiencia en el desarrollo de nuevos materiales y la mejora de propiedades, está centrando su interés en la comprensión de las propiedades del material principal que tienen un efecto en su procesabilidad y también en las propiedades del producto final. Por ejemplo, qué rango de índice de fluidez sería más adecuado para la impresión 3D. Otra área de relevancia es el estudio de la influencia de los parámetros de procesado en las propiedades del material final, como las propiedades mecánicas o la conductividad eléctrica. Los parámetros de procesado son importantes en el proceso de extrusión de filamentos, así como durante el proceso de impresión.

En este sentido Aimplas ha analizado la morfología de dos probetas de PLA impresas a temperaturas diferentes. La fFigura 2 muestra la morfología observada por SEM de un producto de PLA impreso a 210 y a 230 °C. Cuando la temperatura de fusión del filamento es de 210 °C, podemos observar la aparición de agujeros/grietas entre las capas depositadas, puntos de concentración de tensiones, que potencian la fragilidad del producto final. Seleccionado las condiciones de procesado adecuadas en el proceso de impresión, se puede aumentar la fluidez de los materiales, mejorando la humectabilidad, la adhesión entre las capas adyacentes y reduciendo así el número de agujeros entre capas. La densidad del producto final será mayor y menos frágil.

Figura 2. Imagen SEM de un producto de PLA impreso en 3D a 210 °C (izquierda) y a 230 °C (derecha).

Por otra parte también se ha comprobado que además de la temperatura de fusión del filamento, existen otras variables en el proceso de impresión con una influencia notable en las propiedades mecánicas. Las propiedades mecánicas a flexión o la resistencia al impacto del mismo producto impreso se incrementan significativamente al variar la velocidad de impresión. Por lo tanto, es importante optimizar las condiciones en cada material, ya que las prestaciones de la pieza final podrán variar mucho.

Muestra	Módulo de flexión (MPa)	Resistencia a la flexión (MPa)	Deflexión en la resistencia a la flexión (%)	Resistencia al impacto (J/m²)
Condiciones A	3.240	93,8	5,5	18
Condiciones B	1.980	58,7	5,2	15

Tabla 1. Propiedades mecánicas a flexión y Resistencia al impacto de probetas de PLA impresas a diferentes condiciones.

Desarrollos con propiedades conductoras

Aimplas ha trabajado en el desarrollo de formulaciones adecuadas para diferentes aplicaciones en las que se requiere conductividad eléctrica. En la figura 3 se representan los valores de resistividad para diferentes fórmulas de ABS y TPU conductor. En el caso de la formulación de TPU se comparó con probetas inyectadas obteniendo valores de resistividad similares.

Figura 3. Resultados de resistividad.

Como caso de estudio se puede citar el proyecto europeo Nanomaster en el cual se desarrollaron nuevos compuestos y filamentos caracterizados por su alta conductividad eléctrica (10-2S/cm), buen acabado superficial y todo ello con altas velocidades de impresión (velocidad de impresión 90 mm/s o 3,6 mm³), en comparación con los actuales materiales de conductividad eléctricos comerciales, impresos a baja velocidad (velocidad de impresión 50 mm/s o 3,2 mm³).