¿Cómo imprimir en 3D con polímeros termoplásticos de alto rendimiento (PAEK, PEI …)?

En el campo de la fabricación aditiva, en los últimos años se ha realizado un verdadero trabajo de investigación sobre materiales, particularmente polímeros, que son de gran interés. Entre ellos se encuentran los polímeros termoplásticos de alto rendimiento, mejor conocidos por sus siglas PEEK, PEKK y PEI (o ULTEM), otros materiales como PPSU o PVDF están comenzando a desarrollarse. Estos materiales más técnicos interesan cada vez más a las industrias debido a sus altas propiedades mecánicas. Algunos incluso pueden tener como añadido fibra de carbono, vidrio, que le confieren propiedades aún más interesantes. Si bien hay muchos beneficios, ten en cuenta que son más difíciles de imprimir que un material clásico y que al hacerlo se deben cumplir ciertos criterios.

Para entender los materiales termoplásticos avanzados más a fondo y como trabajar con ellos entrevistamos a 3 expertos de la industria que nos cuenta un poco más sobre esta familia de materiales: cuáles son sus características, cómo usarlos, para qué aplicaciones, etc. ¡Nuestros expertos te aconsejan cómo utilizarlos, evitar errores de impresión y sacarle el mejor provecho! Hoy solo nos centraremos en la tecnología FDM; los materiales de alto rendimiento también se pueden imprimir a través de la tecnología SLS.

El Dr. Abraham Avalos es el líder científico de AON3D, un fabricante canadiense de impresoras 3D de alto rendimiento. Dirige la investigación de fabricación aditiva, después de completar un doctorado en síntesis de polímeros para aplicaciones de biosensores. Nora Botella, CEO de AIDA, una de las empresas pioneras en la fabricación aditiva en España con más de 20 años de experiencia. Esta empresa española ha decidido especializar en tecnología FDM/FFF y concretamente en las del fabricante polaco 3DGence, que cuenta con la INDSUTRY F340 que es capaz de alcanza hasta 500º. Nuestro último experto es George Mladenov, consultor en impresión 3D para la empresa VICA y principal asociado con el fabricante asiático IEMAI 3D, especializado en impresoras 3D de PEEK.

Polímeros termoplásticos de alto rendimiento: ¿Qué beneficios tienen para la industria?

La familia PAEK (PEEK, PEKK) y los PEI tienen una serie de ventajas que podrían agruparse en tres categorías: buenas propiedades térmicas, altas características mecánicas y, por último, un conjunto de resistencias variadas (disolventes, ácidos, etc.). Nuestros tres expertos coinciden en que la resistencia térmica es uno de los beneficios de estos termoplásticos. El Dr. Avalos explica: «Resistir condiciones extremas de temperatura es una necesidad para algunas industrias: los termoplásticos de alto rendimiento lo permiten. El PEEK, por ejemplo, ofrece una temperatura de uso superior a 240 ° C y mantiene su rigidez hasta 170 °C.» George añade que su utilización también permite “Acortar el proceso de fabricación desde el desarrollo de la pieza en un software CAD hasta llegar a la pieza final”.

Piezas impresas en 3D con PEEK (Créditos: AON3D)

Los materiales de alto rendimiento como familia PAEK tiene muchas propiedades mecánicas interesantes, como la alta rigidez. Permiten obtener un ahorro de peso en comparación con las piezas de mecanizado estándar: en algunos casos es posible obtener una reducción de peso del 40%. Los polímeros termoplásticos de alto rendimiento producen reducciones finales de peso que tienen un impacto significativo en el producto.

El Dr. Abraham Avalos concluye sobre las ventajas de sus materiales: «Los termoplásticos de alto rendimiento resisten las condiciones de operación que requieren resistencia a diversos productos químicos, radiación e hidrólisis. PEEK y PEKK son resistentes a una amplia gama de productos químicos y disolventes, así como a beta, gamma y rayos X. Muchos niveles de ULTEM ofrecen propiedades de resistencia química específicas útiles en las industrias aeroespacial y automotriz. El ULTEM también es significativamente más económico que otros termoplásticos de alto rendimiento «.

Impresión 3D de una pieza con termoplásticos avanzados (Créditos: 3DGence)

¿Cuáles son los requisitos previos para imprimir materiales de alto rendimiento?

Para comenzar con la impresión 3D de los polímeros termoplásticos se debe contar con la impresora 3D capaz de realizar esta tarea, Nora Botella comparte con nosotros la siguiente información: “Dos características son importantes en el hardware de la impresora 3D para imprimir con esos materiales. Boquilla de alta temperatura y cámara calefactada. La impresora debe poder calentar incluso hasta 500 °C para imprimir correctamente con algunos de los materiales. Lo segundo es la cámara climatizada permite que los materiales se enfríen en un ambiente controlado”. Añadido a estos primeras dos carácteristicas también es importante tomar en cuenta la bandeja calefactada.

Sobre las tres principales propiedades con las que debe contar una máquina el Dr. Abraham Avalos de AON3D explica: «Si la temperatura de la boquilla es demasiado alta, puede provocar una deformación parcial y la filtración del filamento. Demasiado débil, la cohesión entre las capas se debilita, así como la mala impresión de los detalles debido a la mayor viscosidad del polímero.» Con respecto a la temperatura de la bandeja, si es demasiado alta, la remoción de la pieza será casi imposible porque la primera capa se adherirá demasiado a la bandeja, lo que podría dañarla. Si es demasiado débil, habrá un problema de adhesión que resultará en una deformación de la pieza o un desplazamiento durante la impresión. Finalmente, la cámara calefactada soporta una fuerte unión entre capas y evita la contracción cuando el material pasa del estado fundido al estado sólido». 

Impresora 3D de gran formato especializad en PEEK (Créditos: IEMAI 3D)

Si estas tres temperaturas son esenciales en el proceso de impresión, no debemos descuidar el fenómeno de cristalización de estos materiales que influirá en el resultado final. PEEK y PEKK son semicristalinos, esto significa que tienden a formar cristales en ambientes más cálidos que su temperatura de transición vítrea. Este fenómeno dará lugar a una extracción y deformación y, finalmente, a un desprendimiento de la bandeja durante el proceso de impresión.

Además de lo anterior hay que tomar en cuenta que algunos de los polímeros avanzados necesitan un preprocesamiento antes de comenzar a trabajar con ellos. “Todos los materiales requieren conocimientos para ser utilizados, algunos de ellos deben secarse antes de imprimirse. Necesitas el adhesivo adecuado o construir una bandeja con algunos de ellos. Se necesita una impresora más avanzada, pero el conocimiento elemental siempre es necesario”, agrega Nora.

Pieza impresa con materiales de alta resistencia (Crédito: Aon3D)

Qué materiales elegir: consejos de nuestros expertos

Ahora que sabes más sobre PEEK, PEKK y PEI, nuestros tres expertos te dan sus impresiones y algunos consejos prácticos para guiarte mejor en tu elección. Si bien esto dependerá mucho de la aplicación final, algunos de estos termoplásticos son más fáciles de manejar que otros. Los PAEK por ejemplo siguen siendo bastante caros, con pocas impresoras FDM compatibles en el mercado. Estos materiales son difíciles de usar. 

Sobre este Nora de AIDA nos comenta que  la elección del material depende de la aplicación o utilización que queramos darles a la pieza final. “Cada material tiene fortalezas y debilidades y debe elegirse en función de la aplicación deseada. PEEK tiene una alta resistencia a la abrasión PEI (ULTEM) es extremadamente fuerte y rígido. PEEK es muy bueno para rodamientos y está certificado por PEI. Cuenta con certificaciones aeroespaciales. No hay una respuesta simple cada vez que necesite elegir qué material será el mejor para su aplicación”.

Pieza mecánica impresa en 3D (Créditos: 3DGence)

Respecto a la aplicaciones y a las utilizadades que se le dé a cada pieza añade que actualmente han surgido múltiples sectores que han comenzado la utilización de los polímeros termoplásticos con impresión 3D. «Existen muchas aplicaciones, pero el gran despegue será en medicina, química, ingeniería y aviación en términos de material, por ahora en la parte superior de la pirámide de material de grado industrial se mantiene PEEK y sus variaciones «, nos comenta George.

Finalmente, el Dr. Abraham Alvos concluye: «Asegúrate de que la impresora 3D industrial que elijas pueda proporcionar el tipo de control térmico que necesitas para obtener piezas de alta calidad. Ve más allá de la hoja de datos de la máquina y establece una relación de confianza con el fabricante que tiene experiencia en la ciencia de los materiales. Te ayudará a obtener los mejores resultados para tu aplicación «.

La piezas creadas con estos materiales podrían inclusos sustituir a algunos metales

Créditos de foto de portada: 3DGence.

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