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Todo lo que necesitas saber sobre la fibra de carbono en impresión 3D

Publicado el mayo 5, 2020 por Alicia M.

Producido por primera vez por Joseph Swan en 1860, la fibra de carbono está hecha de una larga cadena de átomos de carbono unidos entre sí. La cadena suele tener un diámetro de entre 5 y 10 micrómetros y su longitud varía según la aplicación. Con los años, la fibra de carbono se ha vuelto popular en muchos sectores porque ofrece propiedades interesantes, que incluyen alta rigidez, alta resistencia a la tracción, bajo peso, alta resistencia química, alta tolerancia a la temperatura y baja expansión térmica. La fibra de carbono pura es en realidad cinco veces más resistente que el acero y dos veces más rígida, aunque más ligera. Estas características hacen que las fibras de carbono sean adecuadas para aplicaciones que dependen de las propiedades de un material para optimizar el rendimiento, que es particularmente el caso en sectores como el aeroespacial, automotriz, militar o de ingeniería civil, entre otros.

Como ya sabemos, las fibras de carbono rara vez se usan solas. Por lo general, se combinan con otros materiales para formar lo que llamamos composites, conocidos como materiales reforzados con fibra de carbono en este caso. Estos compuestos están hechos de un material matricial, generalmente un polímero, a los que se agregan fibras de carbono, aunque es posible usar materiales no poliméricos como la cerámica. El principal beneficio es la fabricación de piezas más fuertes pero más ligeras, con un mayor nivel de rigidez.

Se incorporan segmentos de fibra de carbono en el filamento para reforzarlo | Créditos: Markforged

Tradicionalmente, los compuestos de fibra de carbono se han utilizado para el diseño estructural, donde el peso agregado se traduce en mayores costes del ciclo de vida o un rendimiento insatisfactorio. Los compuestos de fibra de carbono se pueden usar para crear muchos productos, como cuadros de bicicleta, alas de aviones, hélices, componentes de automóviles, etc. Como puedes imaginar, dados los muchos beneficios de la fibra de carbono, ya no son solo los sistemas de fabricación tradicionales los que la utilizan. En los últimos años, un número creciente de compañías de impresión 3D han estado ofreciendo materiales o tecnologías reforzados con fibra de carbono. Han desarrollado la capacidad para trabajar con este compuesto que permite aplicaciones de mayor rendimiento. Entonces, ¿cómo se usa la fibra de carbono en la fabricación aditiva? A continuación veremos las aplicaciones de esta tecnología en la impresión 3D.

En su informe 3D Printing Composites 2020 – 2030, IDTechEx revela que el mercado global de impresión 3D de composites alcanzará un valor de $ 1.7 mil millones para el año 2030. Esta cifra incluye otros compuestos como materiales que han sido reforzados con fibras de vidrio o plástico. Sin embargo, la tendencia muestra claramente que la industria de la fabricación aditiva está utilizando cada vez más todos los compuestos, incluido el carbono, en sus actividades de producción. En la impresión 3D, existen esencialmente dos formas de usar fibra de carbono, la primera es filamentos reforzados con fibra de carbono y la segunda es refuerzo continuo de fibra de carbono.

El cuerpo de este cuadro de bicicleta está hecho con fibra de carbono | Créditos: Arevo

Filamentos de fibra de carbono

Estos filamentos utilizan fibras cortas de carbono, consistentes en segmentos de menos de un milímetro de longitud, que se mezclan con un termoplástico conocido como material base. Hay varios filamentos populares que se pueden comprar con relleno de fibra de carbono, incluidos PLA, PETG, nylon, ABS y policarbonato. Estas fibras son extremadamente fuertes, haciendo que el filamento aumente su resistencia y rigidez, reduciendo su peso total. Los requisitos de impresión 3D para los filamentos de fibra de carbono deben ser similares a los del material base al que se agregaron las fibras de carbono. La principal diferencia es que las fibras pueden obstruir las boquillas de la impresora 3D, por lo tanto, los expertos recomiendan usar una boquilla de acero endurecido. Además, por encima de cierto umbral de fibras, la parte impresa en 3D perderá el acabado de la superficie.

Algunas compañías han desarrollado filamentos de fibra de carbono para aplicaciones más técnicas. Estos filamentos utilizan como material base polímeros de alto rendimiento como PEEK o PEKK. Por lo tanto, no sólo ofrecen beneficios como la durabilidad y un fuerte rendimiento mecánico y químico, sino también una mejor relación resistencia / peso. Los parámetros de impresión deben ajustarse ya que los polímeros dependen de extrusoras que pueden alcanzar alrededor de 400°C, y sistemas que tienen cámaras calientes y placas de construcción. Algunos de los fabricantes de filamentos de carbono incluyen Roboze, 3DXTech, ColorFabb, Markforged, Kimya, Intamsys, Zortrax, etc.

Esta parte muestra cómo la impresión 3D continua de fibra puede agregar resistencia a una pieza de plástico | Créditos: Markforged

Refuerzo continuo de fibra

El filamento de fibra de carbono es definitivamente más fuerte que un filamento que no ha sido reforzado. Sin embargo, para obtener una parte aún más fuerte, se puede usar otra técnica, llamada refuerzo continuo de fibra de carbono. En este caso, se necesitan dos boquillas: una extruye el filamento y la otra la fibra de carbono. Dado que este material no se corta en pedazos más pequeños, conserva mucho más su resistencia. De hecho, la impresión 3D continua de fibra de carbono es lo suficientemente fuerte como para reemplazar el aluminio, pesando la mitad. Los fabricantes de impresoras 3D afirman que puede reemplazar la impresión 3D en metal para algunas aplicaciones, ya que el material es más barato. Finalmente, al colocar la fibra de carbono de acuerdo con las técnicas de diseño para fabricación aditiva, es posible agregar aún más resistencia a una pieza mientras se reduce el uso de material.

Algunos actores en el mercado ofrecen tecnologías que pueden imprimir fibra de carbono de manera continua. Markforged lo comercializa como “Fabricación continua de filamentos” (CFF), mientras que Anisoprint lo llama “Coextrusión de fibra compuesta” (CFC). Más recientemente, Desktop Metal también se unió a la carrera al lanzar un nuevo sistema llamado Fiber, que utiliza la colocación de fibra micro automatizada (μAFP). Por otro lado, 9TLabs ha creado un sistema adicional para impresoras 3D comunes. A este proceso de impresión en 3D lo llaman Tecnología de Fusión Aditiva (AFT).

Usando técnicas de diseño, es posible reforzar una pieza | Créditos: Anisoprint

Otras tecnologías

Alejándose del proceso de extrusión más conocido, una tecnología interesante es el proceso patentado de AREVO basado en la tecnología de Deposición de Energía Directa, en el que se usa un láser para calentar el filamento y la fibra de carbono al mismo tiempo que un rodillo comprime los dos juntos. Impossible Objects y EnvisionTEC también han agregado sistemas para la impresión 3D de fibra continua a su gama de máquinas, sin embargo, la tecnología difiere un poco. Tejen en láminas de fibra en una impresión mediante un proceso de laminación. Por último, pero no menos importante, Continuous Composites utiliza una tecnología híbrida en la que el hilo de fibra se empapa con resina y luego se endurece con luz UV, de forma similar a la impresión 3D por estereolitografía.

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