Guía completa: La impresión 3D con PEEK, ULTEM y otros polímeros de alto rendimiento

En los últimos años, los termoplásticos de alto rendimiento han ganado popularidad en la impresión 3D, con un mercado que crece rápidamente. Estos materiales resultan atractivos en el sector por su resistencia y ligereza, y existen varios disponibles para su uso con la fabricación aditiva. Por ejemplo, la poliarilcetona (PAEK) es una familia de plásticos semicristalinos que pueden soportar altas temperaturas manteniendo una enorme resistencia. La PAEK se utiliza principalmente en forma de poliéter éter cetona (PEEK) y poliéter cetona (PEKK), dos materiales de gran rigidez. Sin embargo, una alternativa mucho más económica, la polieterimida (PEI), también conocida como ULTEM, también se ha extendido cada vez más. Pero, ¿qué son exactamente los polímeros de alto rendimiento? ¿Cómo se puede imprimir en 3D con ellos? ¿Quiénes son los fabricantes? Sigue leyendo esta guía completa para saber más sobre estos materiales avanzados.

Producción y características de los materiales

Lo primero que hay que tener en cuenta sobre los polímeros de alto rendimiento es que, aunque por supuesto comparten características, no todos son exactamente iguales. Dicho esto, en general se puede señalar que los termoplásticos de alto rendimiento, y el PEEK en particular, son tan resistentes como el acero y un 80% más ligeros que el metal, lo que los hace tremendamente interesantes para la industria de producción. Por otra parte, además de una excepcional resistencia mecánica y térmica de hasta 250°C en funcionamiento continuo, los materiales PAEK también son resistentes a la disolución en aceites y otras sustancias, a diferencia de la mayoría de los demás plásticos. Cuando se exponen al fuego, casi no desprenden gases ni humos nocivos.

Y aunque cada vez están más extendidos en la fabricación aditiva, es innegable que su crecimiento ha sido más lento que el de otros polímeros. Lo cierto es que estos materiales existen desde hace más de tres décadas, aunque se han utilizado principalmente en el moldeo por inyección y el mecanizado. Al principio, Stratasys era la única empresa que desarrolló impresoras 3D capaces de soportar las altas temperaturas necesarias para trabajar con polímeros PAEK y PEI. Sin embargo, a medida que el mercado fue abriéndose, más empresas tuvieron la oportunidad de experimentar con ellas, lo que dio lugar a una comercialización masiva de sus soluciones. A medida que pasa el tiempo y se eliminan las barreras de entrada, vemos cómo cada vez más empresas entran en este campo y empiezan a producir máquinas de impresión 3D capaces de manipular termoplásticos de alto rendimiento.

Otro material, el PEI, fue desarrollado por primera vez por el departamento de plásticos de General Electric a finales de la década de 1980. Sin embargo, en 2007, SABIC, una de las mayores empresas públicas de Arabia Saudí, adquirió el departamento y, por tanto, los derechos de la marca ULTEM. Al tratarse de una alternativa más asequible que el PEEK, el material suscitó de inmediato un gran interés desde el punto de vista económico. Combinado con sus diversas e interesantes propiedades físicas, como su elevada resistencia al calor, a los disolventes y a los fuegos, su rigidez dieléctrica y su conductividad térmica, constituyó una gran solución para proyectos de ingeniería. Quizá lo más notable sea que ULTEM se ha convertido en el material de referencia cuando se trata de aplicaciones muy exigentes, como en la industria aeroespacial.

Créditos: ApiumTec

Impresión 3D con polímeros de alto rendimiento

En general, los polímeros PAEK y PEI se imprimen en 3D mediante FDM (modelado por deposición fundida) o SLS (sinterización selectiva por láser). Sin embargo, teniendo en cuenta las altas temperaturas de estos polímeros, la cantidad de soluciones disponibles en el mercado no es tan amplia. Una impresora 3D de alto rendimiento debe tener un extrusor capaz de soportar temperaturas superiores a 300°C, ya que ese es el punto de fusión de estos polímeros. Además, la placa calentada debe alcanzar al menos 150°C para que la pieza final pueda despegarse de ella. Por último, se necesitan mecanismos de refrigeración más potentes para garantizar el equilibrio correcto de la temperatura en la cámara cerrada.

Un aspecto importante es el postprocesado de los termoplásticos de alto rendimiento. Como con cualquier pieza compleja impresa en 3D por FDM, se requieren estructuras de soporte. Sin embargo, cuando se trata de PAEK y PEI, debido a la rigidez de la pieza final, retirar el soporte puede ser todo un reto. Como resultado, a menudo se requieren herramientas específicas para realizar el postratamiento de la pieza.

Créditos: ApiumTec

En cambio, cuando se trata de SLS, la pieza se imprime casi a la perfección, sin necesidad de soportes adicionales. Algo a tener en cuenta en el proceso de impresión 3D por extrusión, es el alabeo o warping. Una vez finalizada la impresión de un objeto y cuando baja la temperatura de la cámara, los polímeros tienden a reducir su tamaño. Como resultado, el PAEK y el PEI han sido muy populares a la hora de imprimir objetos pequeños, aunque cuanto mayor sea la pieza, mayor será el efecto de alabeo. Aunque esto puede controlarse hasta cierto punto optimizando parámetros de impresión clave como la velocidad y la temperatura, sigue siendo un reto para algunos usuarios.

Dicho esto, el uso de termoplásticos de alto rendimiento no está ni mucho menos perfeccionado. Todavía hay aspectos del proceso de fabricación en los que se trabaja y se mejoran constantemente. Sin embargo, las nuevas innovaciones mejoran diariamente esta experiencia. Varias empresas están trabajando actualmente en soluciones FDM en las que el soporte del objeto se imprima en un material diferente para que pueda retirarse más rápida y fácilmente una vez finalizada la impresión. Además, otras organizaciones, como Kimya, han empezado a centrarse en ofrecer combinaciones de materiales para aprovechar lo mejor de múltiples materiales. De esta forma, el producto final puede ser, por ejemplo, 70% PEEK y 30% fibra de carbono.

Aplicaciones de esta tecnología

Como era de esperar, una familia de materiales con tantas características significativas resulta útil en una gran variedad de sectores. La automoción empezó rápidamente a utilizar las capacidades únicas del PAEK y el PEI para una gran variedad de aplicaciones. Una de las áreas en las que el PAEK y el PEI han sido más disruptivos es la producción de utillaje rápido de bajo coste para el moldeo por inyección, termoformado, plantillas y accesorios. Esto permite a las empresas producir un volumen bajo o medio de piezas a bajo coste sin necesidad de invertir en la producción de grandes cantidades. Además, la producción de piezas personalizadas es cada vez más demandada, ya que pueden modificarse para adaptarse a determinados requisitos y pueden recibir cambios complejos que mejoren su estructura.

Al igual que muchos otros materiales de impresión 3D, las familias PAEK y PEI se utilizan ampliamente en el campo médico. El PEEK es famoso por su uso en el blindaje de dispositivos de resonancia magnética (RM). También se considera un biomaterial avanzado utilizado para implantes médicos y en varillas de refuerzo y dispositivos de fusión espinal. El hecho de que resista el agua hirviendo y el vapor sobrecalentado lo hace perfecto para objetos que deben esterilizarse a temperaturas extremadamente altas.

Créditos: ApiumTec

Los termoplásticos de alto rendimiento también se utilizan mucho en la industria aeroespacial. Su resistencia química, su relación resistencia-peso y sus bajos índices de inflamabilidad, humos y toxicidad hacen de estos polímeros el sustituto ideal del metal, que suele utilizarse para piezas y utillaje de naves espaciales. Aislamientos termoacústicos, soportes estructurales, abrazaderas y separadores, fijaciones, conectores y sistemas de tuberías son sólo algunos de los ejemplos en los que la ingeniería aeroespacial ha empezado a utilizar PAEK y PEI, a menudo reduciendo el peso de las piezas en un 70%. Otros sectores que se han visto afectados por los termoplásticos avanzados son el naval, el nuclear, el del petróleo y el gas, y muchos más.

Principales fabricantes y precio de los materiales

Muchas de las grandes empresas químicas ya se han dado cuenta del cambio que se avecina en los termoplásticos de alto rendimiento en el campo de la impresión 3D. Por ello, no es de extrañar que nombres como Arkema, Lehmann & Voss y Solvay, entre otros, salgan a relucir 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 ahora.

En cuanto a las impresoras compatibles con PAEK y PEI, el fabricante chino INTAMSYS ha acaparado mucha atención, ya que ofrece una gama de impresoras 3D profesionales y de escritorio adecuadas para polímeros de alto rendimiento. La holandesa Tractus3D es también cada vez más popular, así como el gigante alemán EOS, que recientemente ha lanzado una nueva impresora HTLS (sinterizado láser a alta temperatura) que puede trabajar con este tipo de materiales.

Créditos: ApiumTec

Algo importante a destacar es que estos polímeros de alto rendimiento no son baratos. El PEEK, ULTEM y PEKK son algunos de los materiales de impresión 3D más caros disponibles en el mercado. Aunque el ULTEM es una alternativa algo más barata, una bobina de 1 kg de filamento puede suele costar unos 200 dólares, y a menudo mucho más, dependiendo de la marca y las propiedades del material. Por su parte, el PEEK cuesta a menudo más de 300 dólares y hasta más de 700 dólares por 1 kg de material, mientras que el PEKK cuesta de media entre 400 y 500 dólares por la misma cantidad.

Si estás interesado en estos filamentos, también debes tener en cuenta el hecho de que la impresión no se puede realizar con cualquier impresora. Tienes que invertir en una que haya sido diseñada para polímeros de alto rendimiento. Como es lógico, estas impresoras también son más caras que una FDM de bajo coste. De hecho, las más baratas tienen un precio de a partir de 5.000 dólares, y la mayoría suelen costar mucho más. Sin embargo, a medida que crece el mercado, también lo hacen las opciones disponibles para los consumidores. Quizá en un futuro próximo veamos cómo bajan los precios tanto de las impresoras como de los materiales, cuando las aplicaciones con polímeros de alto rendimiento se generalicen aún más en la fabricación aditiva.

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*Créditos foto de portada: ApiumTec