¿Por qué recurrir a la impresión 3D de materiales compuestos?

Existen una gran cantidad de materiales compatibles con la fabricación aditiva en la actualidad, desde termoplásticos hasta metales, cerámicas y resinas fotosensibles. Ofrecen una amplia variedad de propiedades para cumplir con los requisitos de los sectores más exigentes como el aeroespacial, automotriz o incluso médico. Si nos centramos ​​en la familia de los polímeros, podemos encontrar en particular los composites, es decir, materiales reforzados a base de fibras. Desarrollados en forma de polvo o filamentos, estos materiales ofrecen características mecánicas más interesantes que un polímero convencional, como por ejemplo mejor rigidez, resistencia al impacto, ligereza, etc. Estas ventajas están impulsando cada vez a más empresas a confiar en los composites. Pero, ¿cómo integrar la impresión 3D de materiales compuestos en la cadena de producción? ¿Qué material elegir? ¡Para resolver todas estas cuestiones, hemos hablado con 3 expertos de la industria!

Nuestro primer experto es Pablo Fernández, Additive Manufacturing Application Engineer en la empresa Sicnova. Los últimos años de experiencia en el sector le han permitido investigar y estar al día en cuanto a materiales, especialmente poliméricos, para poder asesorar lo mejor posible a sus compañeros y clientes. El segundo experto es François Edy, director técnico de la llamada Kimya Factory, un servicio de fabricación aditiva que ofrece el grupo ARMOR. François se encarga de asegurar la calidad de las piezas finales, los plazos de producción y ofrecer asesoramiento a los clientes. Por último tenemos a Alejandro Aracil, Ingeniero Técnico Aeronáutico del Ejército del Aire y Jefe del Taller de Helicópteros de la Maestranza Aérea de Madrid. Todos ellos cuentan con la experiencia necesaria para dar consejos en torno a la fabricación aditiva de materiales compuestos por extrusión y, por tanto, más concretamente en los filamentos compuestos.

Materiales compuestos e impresión 3D

Un material compuesto es un material reforzado por una fibra, lo que le confiere propiedades mecánicas adicionales muy interesantes. Este material básico se denomina matriz y corresponde a una amplia gama de polímeros en el mercado de fabricación aditiva. Pablo Fernández explica: “Sin salirnos del sector de la aditiva, los más conocidos son los materiales reforzados con fibras de carbono, las cuales aportan mayor resistencia mecánica, a la temperatura e incluso mejora las propiedades eléctricas que el polímero por sí solo no posee. Esta fibra puede estar mezclada con el polímero en formato de fibra larga, fibra corta, micro y nanopartícula, lo cual afecta directamente a las propiedades finales del material”.

Como vemos, es especialmente importante señalar que estas fibras vienen en varios tamaños, lo cual impactará fuertemente en el proceso de impresión y el resultado final. Las fibras cortas se mezclan directamente con el polímero base, y luego la máquina extruye el filamento. Las fibras largas se depositan al mismo tiempo que la matriz, lo que requerirá el uso de una impresora 3D específica.

Algunas organizaciones ya han adoptado la tecnología 3D para beneficiarse de las ventajas de estos materiales. Alejandro Aracil comenta: “Actualmente disponemos de una impresora con capacidad de imprimir piezas con materiales compuestos, siendo la resina Onyx (material con base de Nylon y reforzado con polvo de fibra de carbono) a la que se le pueden incorporar fibras continuas de Kevlar, Fibra de Carbono, Fibra de Vidrio y Fibra de Vidrio de alta temperatura”.

Créditos: Sicnova / MAESMA

Lo que debes tener en cuenta al trabajar con composites

Hoy en día, la mayoría de las máquinas FDM pueden imprimir compuestos de fibra corta. François Edy dice: “Las fibras cortas son más comunes en la fabricación aditiva y se pueden imprimir en cualquier máquina FDM. Sin embargo, debes asegurarte de tener una boquilla de acero, ya que los compuestos son abrasivos”. Este es un punto de vista compartido por Alejandro Aracil, quien comenta: “La máquina FDM debe estar preparada, especialmente la boquilla de las fibras, ya que suelen erosionarla con mucha facilidad”. Ante esto, Pablo Fernández añade: “Normalmente las impresoras de FDM necesitan de altas temperaturas de trabajo así como estar calefactadas para una óptima fabricación”. En el lado de la fibra larga, el proceso de impresión es diferente y requerirá el uso de una máquina específica capaz de depositar la fibra en la placa de impresión y cortarla según las necesidades del usuario.

Si observamos los parámetros de impresión, debemos tener en cuenta que generalmente son los mismos que la matriz básica en el caso de fibras cortas. François nos advierte sobre un punto concreto: “La orientación de las piezas es muy importante, ya que las fibras de carbono se depositan en la dirección de la extrusión. Por lo tanto, tendrán una mejor resistencia mecánica en la dirección de la boquilla”. Esto es algo en lo que concuerda Alejandro, quien añade: “Lo más importante cuando se imprime una pieza con la tecnología 3D es conocer cuál va a ser el funcionamiento de dicha pieza y cómo reforzarla, con la mejor orientación de las fibras, para obtener una pieza con los requerimientos acordes a sus funciones”. Por otro lado y con respecto al mantenimiento de los materiales, que es otro punto vital en esta tecnología, Pablo comenta: “Mantener el material bien almacenado para evitar la absorción de humedad sobre el mismo, ya que puede provocar burbujas no deseadas en la pieza final”.

Una pieza impresa en 3D son ABS Carbon Kimya, instalada en una línea de producción de ARMOR USA | Créditos: Kimya

Ventajas y limitaciones de los materiales compuestos

En términos generales, la impresión 3D de materiales compuestos ofrece las mismas ventajas que la impresión 3D «clásica». Es decir, reducción de los tiempos de producción, reducción de la cantidad de material utilizado, posibilidad de personalizar piezas, etc. Se distingue por su capacidad para mejorar las propiedades de una pieza, ya sea en términos de resistencia mecánica o temperatura. Así lo confirma Alejandro Aracil: “Las principales ventajas de la impresión 3D con materiales compuestos radican en las ventajas nativas propias de la tecnología 3D”. Una observación que plantea François Edy es que el uso de fibra de carbono mejora enormemente la rigidez de la pieza, mientras que otros materiales como la madera proporcionarán propiedades estéticas únicas. Por su parte, Pablo Fernandez añade: “El abanico de posibilidades en cuanto a aplicaciones que se abre debido a las altas prestaciones que ofrecen estos materiales es, sin duda, la principal ventaja”. Y es que cada vez más industrias con requerimientos exigentes, apuestan por este tipo de métodos productivos.

Si miramos los límites de la impresión 3D de composites, nuestros tres expertos pueden comentar 3 puntos diferentes. Por ejemplo, François explica que las fibras continuas cumplen reglas más restrictivas y presentan más problemas técnicos en términos de corte y trayectoria de la boquilla. A esto, Alejandro añade: “En cuanto a los límites, podemos hablar de la repetitividad y los defectos internos en las piezas que requieren comprobaciones a través de técnicas de END”. Por su parte, Pablo se centra en la maquinaria en sí, y comenta: “Como principal inconveniente, aunque no demasiado grande, es disponer de un equipo acorde para ello”.

Gracias a la impresión 3D de materiales compuestos, se pueden desarrollar formas complejas más rígidas. | Créditos: Markforged

Un último consejo de los expertos

François Edy: Aconsejo a los lectores que prueben primero materiales más clásicos. Más tarde podrán iniciarse en la tecnología FDM con fibras cortas porque el proceso es muy similar. De hecho, en algunos casos, la impresión 3D con materiales compuestos es incluso más fácil de implementar, aunque todo depende de su matriz base.

Pablo Fernández: Atrévete. Como he mencionado anteriormente, las posibilidades que se abren con este tipo de materiales compuestos son inmensas.

Alejandro Aracil: La tecnología 3D es el futuro tanto para los sectores industriales como domésticos. Todo aquel que no empiece a invertir y desarrollar capacidades en estas tecnologías, se verá, seguramente, desfasado en un plazo muy corto de tiempo.

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