¿Cuáles son los filamentos más resistentes para la impresión 3D?

Cuando se trata de piezas fuertes, una de las decisiones más importantes tiene que ver con el material. Aunque el proceso, por supuesto, juega un papel importante, el material utilizado es lo que determina muchas de las características del componente final. ¿Cómo saber cuál elegir? ¿Qué materiales de impresión 3D son los más resistentes?

En primer lugar, es necesario definir qué es la fuerza. Aunque a menudo se confunde con la durabilidad, estas dos características no son exactamente lo mismo. La resistencia de los materiales se define como «la capacidad de un material para resistir las fuerzas mecánicas cuando está en uso». Esto incluye una serie de factores como la resistencia, la deformación y el agrietamiento.

Airwolf3D realiza una prueba de tensión. (Créditos: Airwolf3D)

Hay muchas formas diferentes de probar la resistencia, incluida la dureza, la resistencia al impacto, la resistencia a la compresión, el límite elástico, la resistencia a la fatiga y la resistencia a la flexión. Sin embargo, una de las métricas más utilizadas para los materiales es la tensión de rotura. Esta es la carga máxima que un material puede soportar sin fractura cuando se estira. En otras palabras, es cuánta carga o fuerza de tracción puede soportar antes de que el material se estire o rompa de forma permanente.

Eso es en lo que nos centraremos en este caso. Determinaremos la resistencia de diferentes materiales de impresión 3D, en específico los filamentos de polímero para el modelado por deposición fundida como uno de los métodos de fabricación aditiva más populares. La tensión de rotura se expresará tanto en MPa (megapascal), que es la unidad de presión del Sistema Internacional de Unidades (SI) y se define como un newton por metro cuadrado, como en psi (libra por pulgada cuadrada), unidad más comúnmente utilizada en el sistema anglosajón de unidades. La siguiente lista está organizada en función de si el material pertenece a las familias estándar, de ingeniería o compuestos.

También es importante tener en cuenta que algunos de los materiales con la mayor tensión de rotura son en realidad materiales flexibles como el TPU. En este caso, no se incluyeron, pero este punto está abierto a debate. Además, las propiedades mecánicas de una pieza no solo dependerán del material, sino también de las condiciones de impresión, como la máquina utilizada, los parámetros y el entorno. Estos números sirven más como una guía para la resistencia relativa en comparación con los materiales.

Materiales estándar: más débiles pero más asequibles

En términos generales, los materiales estándar no son los filamentos de impresión 3D más fuertes, ya que tienen propiedades mecánicas más bajas. Esto no quiere decir que no haya unos que sean más fuertes que otros. Entre los materiales estándar, hay materiales que, si bien no son comparables a los polímeros de ingeniería o de alto rendimiento (HPP), todavía tienen una tensión de rotura engañosamente alta.

El PLA, por ejemplo. Aunque a menudo se considera uno de los filamentos más débiles, especialmente teniendo en cuenta su degradación a la luz solar, el PLA tiene una tensión de rotura relativamente alta. Esta varía entre los 53 MPa y 59 MPa o un promedio de aproximadamente 7800 – 8250 psi. Compárese con el ABS, a menudo considerado fuerte, que tiene una tensión de rotura de 34 – 36 MPA o aproximadamente 4600 psi.

Tensión de rotura de algunos materiales de impresión 3D comunes, como ABS, PLA y PETG (Créditos: BCN3D)

Sin embargo, lo que no se considera aquí es la resistencia a la flexión y la durabilidad, donde el ABS realmente brilla. El PLA es relativamente quebradizo y tiene poca resistencia al impacto además de escasa resistencia al calor debido a una temperatura de transición vítrea de alrededor de 60° C. Mientras tanto, el ABS sobresale por su ductilidad y mayor resistencia al calor, lo que lo hace adecuado para piezas más exigentes.

Por el contrario, el PETG, en muchos casos, puede combinar lo mejor de ambos materiales. Este material tiene una tensión de rotura de 38 – 44 MPa (5511 – 6380 psi) y una resistencia a la flexión relativamente alta de 75-59 MPa. Por lo que es más fuerte en este sentido que el ABS, pero con menor tensión de rotura y a la flexión en comparación con el PLA. También es más fácil de imprimir con PETG en comparación con el ABS, similar al PLA. Esto debido a un buen flujo y a la ausencia de tensiones internas significativas que podrían conducir a una deformación o a la delaminación de las capas.

Ingeniería y materiales de alto rendimiento: algunos de los filamentos de impresión 3D más resistentes

Dejando atrás los materiales estándar, los materiales de ingeniería, diseñados para ser más robustos y útiles incluso en aplicaciones industriales, es el área donde podemos encontrar los filamentos de impresión 3D más fuertes. También hay «polímeros de alto rendimiento» (HPP) que están por encima. Son notables por sus increíbles propiedades y, en algunos casos, por su capacidad para reemplazar al metal. Echemos un vistazo a algunos de los que tienen las tensiones de rotura más fuertes a continuación:

Policarbonato

Entre los filamentos de ingeniería, el policarbonato (PC) se considera uno de los más fuertes. Esto se debe a una tensión de rotura muy alta, así como a una alta resistencia al impacto y al calor. En términos de propiedades, la tensión de rotura es típicamente de alrededor de 60-70 MPa o alrededor de 7250 psi. ¿Qué quiere decir esto? Bueno, en una prueba realizada por Airwolf3D en California, los ingenieros descubrieron que un gancho de policarbonato era capaz de levantar 285 libras, unos 129 kilos. Aunque es extremadamente fuerte, presenta algunos inconvenientes. Por ejemplo, puede ser difícil de imprimir debido a las altas temperaturas de impresión y su tendencia a la deformación.

Una pieza hecha con impresión 3D FDM y PC (Créditos: MatterHackers)

Nylon

El nylon, o poliamida, también destaca por su resistencia, aunque esto difiere según el material utilizado, en función del número de átomos de carbono que contienen. En la impresión 3D, se utilizan la PA6, PA11 y PA12, y las dos últimas se trabajan a menudo con la tecnología SLS. La PA6 se usa comúnmente en forma de filamentos, aunque tanto la PA11 como la PA12 también se pueden encontrar en esta forma, incluso como compuestos.

Las tres poliamidas ofrecen una alta resistencia al impacto y son resistentes y semiflexibles. De ellas, sin embargo, la PA6 es la más valorada para aplicaciones que necesitan una alta resistencia mecánica con una tensión de rotura que se encuentra entre 50 – 90 MPa o 7250 – 13,100 psi. Esto varía, por supuesto, pero el fabricante Ensinger Plastics señala que la PA6 tiene una resistencia a la rotura de alrededor 79 MPa, mientras que la de la PA11 es de alrededor 52 MPa y la de la PA12 es de unos 53 MPa.

Aún así, a todas ellas hay que reconocerles su gran resistencia al impacto, al desgaste y al calor. Si queremos centrarnos en poliamidas distintas a PA6, la PA12 puede considerarse más como un material «integral» que combina lo mejor de las otras dos, mientras que la PA11 destaca por su flexibilidad. Ambas también son más fáciles de imprimir.

PEEK

La poliéter éter cetona (PEEK) pertenece a la categoría de polímeros de «alto rendimiento», materiales excepcionales por sus características y resistencia superiores, tanto que en algunos casos se comparan con el metal. En términos de tensión de rotura, la de PEEK es significativamente más alta que incluso los polímeros de ingeniería, generalmente alrededor 90 a 100 MPa (13053 – 14504 psi). Aunque pueden llegar hasta 110 MPa (15954 psi) en forma de filamento, superando así a algunas aleaciones no ferrosas.

Además de excelentes propiedades de resistencia mecánica, que incluyen alargamiento por tracción y resistencia a la flexión, así como alta dureza y resistencia al impacto, el material tiene propiedades de resistencia química superiores. Juntos, hacen que el material no solo sea resistente, sino también ideal para aplicaciones en algunas de las industrias más exigentes, como la aeroespacial, automotriz, de petróleo y gas y médica.

Filamento PEEK (Créditos: 3D4Makers)

PEKK

Otro HPP que se encuentra comúnmente en aplicaciones de impresión 3D industrial es el PEKK. Perteneciente a la misma familia PAEK que PEEK, el PEKK o polieterquetoncetona, difiere de las otras en muchos aspectos, pero la resistencia no es una de ellas. El PEKK tiene propiedades mecánicas excepcionales, incluida una alta resistencia a la tracción. Un filamento de Lynxter, por ejemplo, tiene una tensión de rotura de 105 MPa (15229 psi) y una resistencia a la flexión de 95 MPa (13778 psi), similar al PEEK. Sin embargo, donde el PEKK brilla en comparación con el PEEK es en su mejor adhesión de capa debido a una menor velocidad de cristalización. Esto a su vez permite mayores resistencias a la tracción en cada eje en comparación con el PEEK. Al igual que el PEEK, también tiene una alta resistencia química y al calor, así como una resistencia a la flexión superior.

Ultem

Completando la categoría HPP, tenemos el PEI, comúnmente conocido por el nombre de marca ULTEM. Este filamento continúa la tendencia de alta resistencia a la tracción, aunque esto depende de cuál se utilice. ULTEM 9085 es superior para una alta resistencia, con una tensión de rotura de alrededor de 70 MPa (10153 psi), pero que al igual que el PEKK y PEEK puede llegar hasta los 110 MPa dependiendo del filamento. El ULTEM también tiene una increíble resistencia térmica, que alcanza hasta 180°C, además de una alta resistencia al impacto y una relación resistencia-peso. Como con los otros dos polímeros de alto rendimiento de la lista, la desventaja es que es más difícil de imprimir y también prohibitivamente caro, salvo en aplicaciones más industriales.

Compuestos: aportando resistencia a todos los materiales

Los materiales compuestos no son un solo material, más bien son una categoría en la que dos o más materiales se combinan para aprovechar los beneficios de ambos. Esto incluye una mayor resistencia junto con rigidez, resistencia al calor y durabilidad. Hay muchos filamentos compuestos diferentes presentes en el mercado hoy en día. Incluidos algunos de los materiales más singulares, como la madera, pero cuando se trata de resistencia, hay tres que realmente destacan cuando se agregan a una matriz de polímero. Al final, estos pueden ser algunos de los materiales de filamento de impresión 3D más fuertes, aunque debido a la mayor anisotropía, ya presente en la impresión 3D FDM, con la colocación de las fibras compuestas, puede diferir considerablemente entre los ejes x, y y z.

Fibra de carbono (CF)

La fibra de carbono es la más fuerte y costosa de las tres fibras compuestas diferentes y a menudo es la que vemos en la impresión 3D. Al igual que la fibra de vidrio, aquí el rango de resistencia a la tracción puede ser bastante grande porque depende no solo de la fibra de carbono, sino también de su colocación, densidad y también del material de la matriz polimérica. Sin embargo, algunas fuentes consideran que la fibra de carbono por sí misma puede tener una resistencia a la tracción de aproximadamente 4137 MPa o 600,000 psi. No todo esto se transferirá en el filamento compuesto, pero se encuentra regularmente que la resistencia de un material aumentará en alrededor del 40% mediante la adición de fibra de carbono.

Piezas de impresora 3D fabricadas con compuestos de fibra de carbono (Créditos: Anisoprint)

Fibra de vidrio

La fibra de vidrio es una de las fibras compuestas que suelen utilizarse en la impresión 3D FDM. Al igual que las otras dos, la fibra de vidrio ayuda a mejorar las propiedades mecánicas de una pieza y se destaca especialmente por su flexibilidad y resistencia al daño. Dicho esto, la fibra de vidrio no es tan «fuerte» como la fibra de carbono. Por sí sola, la fibra de vidrio tiene una tensión de rotura de alrededor 3450 MPa (500380 psi). Aunque el impacto que esto tiene sobre el propio filamento diferirá dependiendo de las diferentes características del material.

Kevlar (aramida)

Mientras tanto, el kevlar, famoso por sus propiedades de absorción de impactos, se sitúa en un punto intermedio. Con una resistencia a la tracción que se encuentra entre las fibras de vidrio y carbono y una densidad menor que ambas, la aramida Kevlar puede ser útil cuando el peso, la resistencia y la rigidez, así como la resistencia al daño, la fatiga y la rotura por tensión son importantes. Sin embargo, es la más débil de entre las tres fibras compuestas, ya que por sí sola tiene una tensión de rotura de alrededor 2757 MPa (399869 psi), menor que la fibra de carbono y la fibra de vidrio.

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