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Los diferentes tipos de cerámicas para impresión 3D

Publicado el noviembre 30, 2023 por Javier B.
Cerámicas

Aunque lo primero que a muchos les viene a la mente cuando se menciona la cerámica es la alfarería o la porcelana, la cerámica técnica es en realidad uno de los materiales más fuertes y resistentes de la Tierra. Se dividen en dos categorías: óxidos y no óxidos. La principal diferencia entre ellos es que un óxido contiene al menos un átomo de oxígeno junto con otro elemento, lo que le confiere propiedades diferentes. Las cerámicas sin óxido tienen mejor conductividad eléctrica y mayor dureza, mientras que las cerámicas con óxido son más fáciles de fundir y sinterizar, lo que facilita su fabricación. Y no es de extrañar que sea posible utilizar estas cerámicas técnicas en la impresión 3D en varias formas, como filamentos, polvo y resina. En el siguiente listado, examinamos más de cerca qué cerámicas técnicas son compatibles con la fabricación aditiva, excluyendo otros materiales cerámicos de uso común como la arcilla, ya que los materiales junto con las tecnologías 3D se utilizan cada vez más para aplicaciones en todo tipo de sectores, desde el aeroespacial y la defensa hasta la automoción e incluso el campo biomédico.

Óxidos

Alúmina

La cerámica de alúmina se ha integrado en el proceso de impresión 3D, abriendo una amplia gama de aplicaciones. Con una temperatura de fusión superior a 2000 °C, es muy resistente a las altas temperaturas y al choque térmico. La alúmina se elige por su notable dureza, que la sitúa justo detrás del diamante como el material natural más duro. También se valora por su resistencia a la corrosión y a las altas temperaturas, sus propiedades de aislamiento eléctrico y conducción térmica, y su biocompatibilidad. Se utiliza en aplicaciones importantes como la electrónica (aislantes), las prótesis biomédicas, las herramientas de corte y en el sector aeroespacial.

Cerámica de alúmina

(Créditos: Umicore)

Circonia reforzada con alúmina

La alúmina, también conocida como óxido de aluminio es el compuesto más importante en la composición de arcillas y también de esmaltes. La zirconia, por su parte, considerada la hermana pequeña del diamante, tiene una gran similitud con las propiedades de este, haciendo de ella una piedra preciosa altamente resistente. Es por ello que la alúmina endurecida con zirconia es un material cerámico excelente. Entre sus aplicaciones principales destacan las industriales, pero por encima de estas, las biomédicas. Gracias a ser un compuesto con una impresionante dureza en la escala Mohs, y su gran tenacidad, combinado con su alta biocompatibilidad, su resistencia al desgaste y al choque térmico, la circonia reforzada con alúmina es perfecta para el sector dental. Entre sus principales aplicaciones encontramos implantes bucales, piezas dentales y piezas resistentes al desgaste. 

Circonia reforzada con alúmina (ZTA/ATZ) Material cerámico

(Créditos: CHEMCO)

Cordierita

Los materiales de cordierita se basan en silicatos de aluminio y magnesio, que se producen sinterizando esteatita o talco, con adición de arcilla, caolín, chamota, corindón y mullita. Las cerámicas de cordierita se utilizan principalmente en la industria aeroespacial para piezas ópticas, pero también en la tecnología de calefacción eléctrica. Por ejemplo, los cuerpos aislantes de los calentadores eléctricos instantáneos de agua, los soportes de los conductores de calefacción o los insertos de los quemadores de gas se fabrican con cordierita. Esto se debe a que tienen un bajo coeficiente de dilatación y, por tanto, son muy resistentes a los cambios de temperatura. La cordierita también es resistente al desgaste, tiene buena resistencia mecánica y baja conductividad térmica. También es adecuada para aplicaciones de vacío. Se distingue entre cordierita porosa y cordierita densa. En comparación con la versión densa, la cordierita porosa tiene una menor resistencia a la flexión, pero una mayor resistencia al choque térmico.

Cordierita cerámica

(Créditos: Keramikverband)

Hidroxiapatita

La hidroxiapatita puede definirse como un material biocerámico. Es un mineral perteneciente al grupo de la apatita, y es también uno de los principales componentes de los huesos. De hecho, se utiliza en impresión 3D, y con otras tecnologías, en el sector biomédico para la reconstrucción ósea. La hidroxiapatita es también un material bioactivo, es decir, capaz de formar enlaces químicos directos con el tejido óseo y los tejidos blandos de los organismos vivos. Esto lo hace especialmente interesante porque los implantes de hidroxiapatita son reabsorbibles, lo que significa que no hay que extraerlos del cuerpo tras su implantación. La impresión 3D de hidroxiapatita se utiliza principalmente en la producción de implantes craneales, espinales y ortopédicos, entre otros.

Hidroxiapatita cerámica

(Créditos: 3DCeram)

Silicore

Otra cerámica que se utiliza en la fabricación aditiva es el material Silicore. Se trata de una formulación cerámica que se produce especialmente para núcleos de fundición. El principal componente de Silicore es el dióxido de silicio. Una de las ventajas de esta formulación cerámica es su porosidad, que simplifica considerablemente el desmoldeo de estructuras más complejas en las piezas fundidas y la lixiviación. Además, este tipo de cerámica se caracteriza por su elevada resistencia mecánica y fuerza frente a las cargas a las que se ve sometida. Además, Silicore puede utilizarse con casi todas las aleaciones, excepto las que contienen cobalto. La formulación cerámica también se caracteriza por su estabilidad incluso a temperaturas muy elevadas.

Cerámica Silicore

(Créditos: 3DCeram)

Zircone

El óxido de circonio, conocido como Zicone, destaca por sus notables propiedades mecánicas tanto a bajas como a altas temperaturas. Con una conductividad térmica relativamente baja a temperatura ambiente, este material muestra notables cualidades cuando se expone a condiciones extremas. A temperaturas superiores a 1000°C, la zirconia se convierte en un excelente conductor eléctrico. Su gran dureza, resistencia al desgaste, inercia química y capacidad para resistir el ataque de los metales lo convierten en un material de elección para diversas aplicaciones, como joyería, dispositivos biomédicos, implantes biomédicos (sobre todo dentales) y equipos electrónicos.

Zircone cerámica

(Créditos: 3DCeram)

No óxidos

Carburo de boro

El carburo de boro (B4C) es un material famoso por su dureza: es uno de los materiales más duros del mundo, después del diamante y el nitruro de boro cúbico. Esta cerámica tiene una excelente resistencia al desgaste, la compresión y el calor, baja densidad y baja conductividad térmica. Se utilizará principalmente en aplicaciones aeroespaciales (fabricación de toberas), nucleares o en la producción de blindajes como chalecos antibalas o carros de combate. En la fabricación aditiva, no es la cerámica más utilizada, pero puede encontrarse en forma de filamento -en realidad, el carburo de boro se mezcla con un polímero-, así como en forma de gránulos.

carburo de boro cerámica

(Créditos: Fiven)

Nitruro de silicio

Una de las cerámicas técnicas más interesantes para la fabricación aditiva es el nitruro de silicio. Se trata de una cerámica que podemos encontrar naturalmente en forma de mineral (nierita, presente en algunos meteoritos). Otra forma de obtenerlo es al calentar polvo de silicio en una atmósfera de nitrógeno de hasta 1400°C. En cuanto a sus propiedades más destacadas, el nitruro de silicio tiene una alta resistencia a la abrasión, a la corrosión y al descaste. Además de ser un material ideal para crear piezas ligeras y con gran estabilidad dimensional, es un buen aislante eléctrico y tiene una baja humectabilidad frente a metales fundidos. Al utilizarse con la fabricación aditiva, esta cerámica técnica permite una amplia variedad de usos en multitud de industrias. Entre sus aplicaciones más destacadas encontramos la creación de semiconductores, componentes de válvulas y bombas, así como tubos de calefacción.

Nitruro de silicio

(Créditos: UBE Corporation)

Nitruro de auminio

El nitruro de aluminio (AIN) es un compuesto químico de aluminio y nitrógeno. El nitruro de aluminio es un material utilizado en cerámica técnica. Se caracteriza por su elevada conductividad térmica, aislamiento eléctrico y buena resistencia mecánica. Por ello, el nitruro de aluminio se utiliza principalmente en la industria electrónica, sobre todo en microelectrónica. Se utiliza para soportes de circuitos, construcción de semiconductores y disipadores de calor en la tecnología de iluminación LED, por citar sólo algunos ejemplos. El nitruro de aluminio también tiene una buena resistencia al plasma y no es perjudicial para la salud durante su procesamiento.

Nitruro de aluminio cerámica

(Créditos: 3Dceram)

Carburo de silicio 

El Carburo de Silicio, conocido por muchos nombres como carborundio o carburindón entre otros, es un compuesto altamente resistente. Con una composición similar al diamante, algo que puede parecer imposible ya que el tamaño del C y Si en este compuesto es distinto. Hay una larga lista de compuestos derivados del Carburo de Silicio, entre ellos el sinterizado o el recristalizado, pero todos ellos comparten una serie de propiedades en común que les hace que sean unas cerámicas impresionantes. En cuanto a las cualidades de esta cerámica destacan su buena resistencia tanto al choque térmico como al desgaste, a pesar de ello se trata de un material con una gran conductividad térmica. Esto juntado a su gran resistencia a la corrosión, su gran dureza y sus increíbles propiedades mecánicas bajo altas temperaturas hacen que sea el compuesto perfecto para la industria automotriz y la energética. Entre sus principales aplicaciones se encuentran piezas para calefactores, para vehículos eléctricos o estaciones de carga de estos mismos. 

Carburo de silicio material cerámico

(Créditos: Arrow.com)

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