Guía Completa: La impresión 3D de composites

Es un hecho que cada vez más empresas están desarrollando materiales compuestos para la impresión 3D de piezas, también denominados «composites» en inglés. Si bien este concepto se utiliza cada vez más, es posible que aún nos preguntemos qué es exactamente un material compuesto y por qué se utiliza en la fabricación aditiva.

En general, materiales como el hormigón podrían considerarse un material compuesto porque está conformado por varios materiales diferentes. Sin embargo, el término se emplea con mayor frecuencia desde un punto de vista de ingeniería, lo que significa que estamos hablando de un material que ha sido reforzado con fibras. Aunque las fibras son muy beneficiosas cuando se combinan con otro material, casi nunca se usan solas para crear una pieza única. En cambio, se suelen combinar con un material matricial en forma de fibras cortas o en forma de refuerzo continuo de fibras. Una de las fibras más populares en la impresión 3D es la fibra de carbono, ya que permite una de las resistencias al peso más altas.

Pieza impresa en 3D mediante refuerzo de fibra de carbono | Créditos: 9TLabs

¿Por qué reforzar un material con fibras?

La impresión 3D de composites es extremadamente beneficiosa para la fabricación de piezas ligeras que requieran gran resistencia. Las fibras agregan dicha resistencia a una parte concreta de la pieza, pero sin agregar peso. Como se mencionó, hay dos tipos de refuerzos, fibra corta o fibra continua. En el primer caso, consisten en segmentos de menos de un milímetro de longitud, que se mezclan en termoplásticos tradicionales para aumentar la rigidez y, en menor medida, la resistencia de los componentes. Las fibras cortas se pueden mezclar con termoplásticos como nylon, ABS o PLA. Cada fabricante agregará y mezclará una cantidad diferente de estas fibras a un polímero plástico, lo que dará como resultado carretes de filamentos de diferentes resistencias. También debemos tener en cuenta que la calidad de impresión se verá afectada por la cantidad de fibras agregadas al carrete. Por encima de cierto umbral, la parte impresa en 3D perderá el acabado de la superficie.

El mayor rendimiento proviene del segundo tipo de refuerzo: las fibras continuas. El proceso para fabricar piezas con estas fibras no es tan fácil como las piezas compuestas de fibras cortas. Esto se debe a que deben integrarse continuamente en el termoplástico a medida que se extruye. Estas fibras también se pueden depositar de acuerdo a las técnicas de diseño que optimizan la relación peso-resistencia de una pieza y el consumo de material, también conocidas como técnicas DfAM (Diseño para fabricación aditiva). Los fabricantes afirman que gracias al refuerzo con fibra continua se pueden crear piezas tan fuertes como el metal.

En relación a las fibras disponibles en el mercado, la fibra de carbono es sin duda la más popular. En la industria también podemos encontrar la fibra de vidrio, un tipo común de plástico reforzado que utiliza finos filamentos de vidrio, y finalmente la fibra de Kevlar, una fibra sintética sólida y resistente al calor. La fibra de vidrio es un material rentable para agregar resistencia a los plásticos y la Kevlar tiene una alta resistencia a los golpes ya que, en lugar de romperse, se dobla.

El software de Anisoprint puede generar diferentes tipos de fibra continua reforzada | Créditos: Anisoprint

¿Cuáles son las tecnologías en el mercado?

El desarrollo de la impresión con composites es el objetivo de una serie de nuevas empresas en el sector de la impresión 3D. En los últimos años, hemos notado un número creciente de máquinas y tecnologías que se lanzan al mercado para permitir nuevas aplicaciones, especialmente en sectores industriales como el aeroespacial y la automoción.

En esencia, la tecnología varía según el tipo de compuesto del que estamos hablando. Los compuestos de fibra corta se pueden extruir en el proceso de FDM ya que el filamento ya contiene la fibra. Por otro lado, la impresión 3D de fibra continua es un proceso más complicado que requiere dos boquillas para imprimir al mismo tiempo. Por lo general, una boquilla extruirá el termoplástico y la otra la fibra. Diferentes fabricantes comercializan su tecnología con diferentes nombres, sin embargo, la idea es más o menos la misma.

A la izquierda se pueden ver fibras cortas, que consisten en segmentos de menos de un mm de longitud. A la derecha, el filamento ha sido reforzado por estas fibras cortas | Créditos: Markforged

Por ejemplo, Markforged lo llama 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 para satisfacer la demanda de esta tecnología al lanzar un nuevo sistema llamado Fiber. Esta solución utiliza la colocación de fibra micro automatizada (μAFP), que también se basa en dos cabezales de impresión para reforzar continuamente el termoplástico que se extruye. Una tecnología interesante es el proceso patentado de AREVO basado en la tecnología de Deposición de Energía Directa, en la 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. Entrelazan láminas de fibra de carbono en una impresión mediante un proceso de laminación. Por último, pero no menos importante, Continuous Composites utiliza una tecnología híbrida en la que el filamento de fibra se empapa con resina y luego se endurece con luz UV, de manera similar a la impresión SLA.

Desktop Metal lanzó Fiber, una impresora 3D de fibra continua, para satisfacer la creciente demanda de esta tecnología | Créditos: Desktop Metal

¿Cuáles son las aplicaciones de los composites en la impresión 3D?

Nuevos actores están surgiendo rápidamente en este mercado, por ejemplo, los jóvenes de 9T Labs, con sede en Suiza, han creado un sistema complementario para impresoras 3D de escritorio que les permitir la impresión 3D de fibra continua. A este proceso de impresión en 3D lo llaman Tecnología de Fusión Aditiva (AFT). El refuerzo está hecho de un material relleno de carbono, no exactamente fibras de carbono puro. Por supuesto, habrás oído hablar de los principales actores del sector, incluidos CEAD, Markforged, Anisoprint o Roboze. EnvisionTec, Impossible Objects y Desktop Metal también han agregado sistemas que permiten la impresión 3D de fibra continua en su gama de máquinas. Para los compuestos de fibra corta, los fabricantes de filamentos incluyen Roboze, 3DXTech, ColorFabb, etc.

El cuadro de bicicleta de AREVO se ha creado utilizando la impresión 3D de fibra continua | Créditos: AREVO

Como se mencionó, los materiales reforzados con fibra de carbono son los compuestos más extendidos en la industria de la impresión 3D, especialmente para aplicaciones exigentes como prototipos funcionales, piezas automotrices, componentes livianos, etc. Estos materiales pertenecen a la denominación de materiales técnicos, por ejemplo, el año pasado, investigadores en China estudiaron los beneficios de agregar fibra de carbono a los termoplásticos de alto rendimiento como el PEEK.

El mercado de los composites está creciendo, y las nuevas combinaciones de materiales permitirán la creación de nuevas aplicaciones. No olvidemos que Sandvik creó el primer compuesto de diamante el año pasado. Por lo general, el diamante sería imposible de usar en la fabricación aditiva porque es demasiado duro. Sin embargo, al crear un compuesto de diamante, las propiedades del material se pueden usar para muchas herramientas resistentes (minería, perforación o mecanizado) y también para implantes médicos.

El compuesto de diamante creado por Sandvik

Finalmente, IDTechEx dió a conocer un estudio sobre el mercado de la impresión 3D de composites que espera que alcance un valor de 1,73 mil millones de dólares en los próximos diez años, ¡un crecimiento impresionante! ¿Qué compuesto ganará popularidad después? ¿Se ampliará su adopción a la producción en serie? 

*Créditos foto de portada: SABIC.

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