Materiales 3D: PEEK, ULTEM y otros polímeros termoplásticos avanzados

En los últimos años, los termoplásticos de alto rendimiento se han convertido en un tema ampliamente discutido en la comunidad de la fabricación aditiva. En un mundo que cambia constantemente y se adapta a las nuevas tecnologías y materiales, era solo cuestión de tiempo destacar los polímeros termoplásticos de alto rendimiento. La poliariletercetona (PAEK) es una familia de plásticos semicristalinos que pueden soportar altas temperaturas al tiempo que mantienen una resistencia increíble. Los PAEK se usan principalmente en forma de poliéter éter cetona (PEEK) y poliéter éter cetona cetona (PEKK), dos materiales que muestran una alta rigidez. Sin embargo, una alternativa mucho más económica, es la polieterimida (PEI), también conocida como ULTEM. Esta última ha estado recibiendo mucha atención porque, debido a su falta de cetona, cuesta mucho menos. Ants de adentrarnos en el tema del PEEK, ULTEM y demás termoplásticos, te recomendamos visitar también nuestra guía de plásticos en la impresión 3D y descubrir un poco más sobre los filamento 3D híbridos.

La historia del PEEK, ULTEM y más polímeros termoplásticos

Los termoplásticos de alto rendimiento, particularmente el PEEK, son tan fuertes como el acero y, a menudo, tienen un 80% menos de peso, lo que los hace tremendamente deseables en la industria de la producción. Entonces, ¿por qué se están convirtiendo en un gran éxito en la impresión 3D? La verdad es que estos materiales han existido durante más de tres décadas, aunque se han utilizado a través del moldeo por inyección o el mecanizado. Al principio, Stratasys era la única empresa capaz de usarlos para la impresión 3D, ya que poseía patentes sobre la fabricación aditiva de extrusión. Sin embargo, en 2009 tales patentes comenzaron a expirar, dando la oportunidad al público de experimentar con estos materiales. Esto dio lugar a una serie de nuevas empresas que se crearon y comercializaron sus desarrollos. A medida que pasa el tiempo y las barreras de entrada se debilitan, vemos que cada vez más compañías ingresan al campo y comienzan a producir impresoras capaces de manejar termoplásticos PAEK.

Los PEI fueron desarrollados por primera vez por el departamento de plásticos de General Electric a finales de los años 80. Sin embargo, en 2007, SABIC, una de las compañías públicas más grandes de Arabia Saudita, adquirió el departamento y, por lo tanto, los derechos del también llamado ULTEM. Dado que el material es una alternativa más asequible al PEEK, generó un gran interés desde una perspectiva financiera. Combinado con sus diversas propiedades físicas significativas, como alto calor, solvente y resistencia al fuego, resistencia dieléctrica y conductividad térmica, fue una gran solución para varios proyectos de ingeniería. Tal vez lo más notable fue que el ULTEM se ha convertido en el material de referencia cuando se trata de aplicaciones de ingeniería, generalmente dentro del sector aeroespacial.

Imprimiendo con plásticos PAEK y PEI

A partir de hoy, los polímeros PAEK y PEI se imprimen con tecnologías FDM /FFF (Modelado por deposición fundida) o SLS (Sinterizado Selectivo por láser). Sin embargo, en una industria donde más del 65% de las impresoras 3D utilizan tecnología FDM, es lógico que la gran mayoría de las aplicaciones PAEK y PEI estén dentro de esa tecnología. Teniendo en cuenta las capacidades de alta temperatura de dichos polímeros, es comprensible que ninguna impresora 3D personal  pueda procesar esos filamentos. Una impresora 3D PAEK / PEI debe tener una boquilla de extrusión que pueda manejar temperaturas de más de 350 °C, ya que ese es el punto de fusión de dichos polímeros. Además,  debe contar con una cámara calefactada que al menos debe alcanzar los  230 °C para que el objeto pueda ser retirado. Finalmente, se requieren mecanismos de enfriamiento para garantizar el equilibrio correcto de temperatura en la cámara cerrada de la máquina.

Al igual que con cada pieza impresa FDM con cierta complejidad, se necesitan soportes. Sin embargo, cuando se trata de PAEK y PEI, debido a la rigidez del objeto final, minimizar el soporte a menudo puede ser un desafío. Como resultado, se utiliza una selección de herramientas para finalizar la producción de una pieza. Por otro lado, cuando se trata de SLS, la pieza se imprime casi a la perfección, sin la necesidad de herramientas adicionales.

Créditos: ApiumTec

Principales productores de PEEK, ULTEM y otros termoplásticos

Como es de esperar, muchas de las grandes compañías químicas ya se han dado cuenta del cambio que se produce en los termoplásticos de alto rendimiento en el campo de la fabricación aditiva. Como resultado, no es sorprendente que nombres como Arkema, Lehmann & Voss y Solvay aparezcan cuando se trata de producir materiales PAEK. Sin embargo, cuando se trata de PEI, la marca ULTEM de SABIC, es la única disponible en el mercado por el momento.

En cuanto a las impresoras que admiten PAEK y PEI, el fabricante chino, INTAMSYS, ha recibido mucha atención, ya que ofrece una gama de impresoras 3D profesionales y de escritorio. Destaca igualmente la llegada del fabricante IEMAI 3D, especializado en el desarrollo de impresoras 3D PEEK, ULTEM para la industria. Fabricantes como Tractus 3D, es cada día más popular, al igual que el gigante alemán EOS, que lanzó recientemente una nueva impresora HTLS (sinterización por láser de alta temperatura) que puede manejar dichos materiales o la empresa española Dynamical Tools que se especializa en máquinas industriales. Hay muchos más fabricantes que se han adentrado a la fabricación de impresoras 3D para materiales avanzados, muchas de ellas en nuestra selección de impresoras 3D PEEK, ULTEM.

Aplicaciones industriales del PEEK, ULTEM…

Con una excepcional resistencia mecánica y térmica de hasta 260 °C, los materiales PAEK son resistentes a la disolución en aceites y otras sustancias, a diferencia de la mayoría de otros plásticos. Cuando se exponen al fuego, casi no se liberan gases o gases nocivos. Como se esperaba, una familia de materiales con tantas características significativas es, sin lugar a duda, útil para múltiples industrias 3D.

La industria de la automoción comenzó rápidamente a utilizar las habilidades únicas de los  PAEK y PEI para una variedad de aplicaciones. Esto permite a las empresas producir un volumen de piezas de bajo a mediano a bajo costo sin necesidad de invertir en producir grandes cantidades. Además, la producción bajo demanda de piezas personalizadas es cada vez mayor, ya que pueden modificarse para adaptarse a ciertos requisitos y pueden obtener cambios complejos que mejoran su construcción estructural.

Créditos: ApiumTec

Al igual que con muchos otros materiales de impresión 3D, las familias PAEK y PEI son ampliamente utilizadas en el sector médico. PEEK se usa para el blindaje de los dispositivos de imágenes de resonancia magnética (MRI). También se considera un biomaterial avanzado utilizado para implantes médicos y en varillas de refuerzo y dispositivos de fusión espinal. El hecho de que puede soportar el agua hirviendo y el vapor sobrecalentado lo hacen perfecto para los objetos que deben esterilizarse a temperaturas extremadamente altas.

Los PEEK, ULTEM y en general los termoplásticos de alto rendimiento también son ampliamente utilizados en la industria aeroespacial. La resistencia a los productos químicos, la ración de alta resistencia al peso y el bajo nivel de fuego, humo y toxicidad hacen de estos polímeros el sustituto ideal del metal que se usa a menudo para piezas y herramientas de naves espaciales. Aislamientos acústicos térmicos, soportes estructurales, abrazaderas y separadores, sujetadores, conectores y sistemas de tuberías son solo algunos de los ejemplos en los que la escena de la ingeniería aeroespacial ha comenzado a utilizar PAEK y PEI, a menudo reduciendo el peso de las piezas en un 70%.

Otras industrias interrumpidas por termoplásticos avanzados incluyen: marina, nuclear, petróleo y gas y muchas más.

El futuro de los plásticos PAEK y PEI

El uso de termoplásticos de alto rendimiento no está, de ninguna manera, perfeccionado. Todavía hay aspectos del proceso de fabricación en los que se trabaja y se mejora constantemente. Como se mencionó anteriormente, una vez que se imprime un objeto PAEK, todavía existe la necesidad de un post-procesamiento a menudo complejo. Sin embargo, nuevas innovaciones están mejorando esta experiencia constantemente.

Actualmente, varias compañías están trabajando en una solución FDM en la que el soporte del objeto se imprimirá en un material diferente para que pueda deducirse más rápido y más fácil una vez que la impresión haya terminado. Otras organizaciones, como la empresa Kimya, han comenzado a centrarse en ofrecer combinaciones de materiales para aprovechar lo mejor de múltiples materiales. De esta manera, el producto final puede ser, 70% de PEEK y 30% de fibra de carbono.

A medida que las patentes siguen venciendo, las barreras de entrada para producir termoplásticos PAEK y PEI e impresoras 3D que las admiten están disminuyendo, esperamos que cada vez más compañías se unan a la cadena de suministro. Por supuesto, esto aumentará la competencia y reducirá el costo de los productos finales, lo que resultará en un mayor uso de los productos relacionados con PAEK en la industria de la impresión 3D. En general, está quedando claro que dichos termoplásticos están aquí para quedarse y pueden competir con la revolución en curso de la fabricación aditiva de  metal.

¿Qué piensas la utilización de termoplásticos como el PEEK, ULTEM y muchos más dentro de la industria? Deja tus comentarios en nuestras redes sociales Facebook, Twitter y RSS. Sigue toda la información sobre impresión 3D en nuestra Newsletter semanal.