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Descubriendo materiales de impresión 3D: los composites

Publicado el julio 29, 2021 por Alicia M.
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En los últimos años, la impresión 3D con materiales compuestos, también llamados composites, se ha vuelto cada vez más popular. Esta tecnología, que es una de las ramas más jóvenes de la fabricación aditiva, hoy en día es utilizada por muchas empresas de la industria, como Impossible Objects, que se especializa en este campo. Tanto es así que algunos estudios estiman que el mercado de la impresión 3D de composites alcanzará los $1,73 mil millones en 2030. Lógicamente, este método de producción hace referencia a las impresoras compatibles, así como a los materiales compuestos. Estos últimos están formados por al menos dos componentes, y tienen propiedades especiales.

La mayoría de las veces, para fabricar estos materiales, es necesario mezclar un plástico, denominado matriz, con fibras cortas o largas. Hoy en día las hay de muchos tipos, pero las más utilizadas en impresión 3D son la fibra de carbono (posiblemente la más popular), la fibra de vidrio, y el Kevlar. Dependiendo de las necesidades, es posible utilizar fibras cortas o fibras largas. Las fibras cortas están integradas por toda la matriz y fortalecerán toda la pieza final. Este tipo de material es compatible con una amplia variedad de impresoras 3D. Las fibras largas, por otro lado, se colocan durante el proceso de impresión en sí y no se cortan en trozos pequeños, lo que permite el refuerzo solo donde se necesita. Son compatibles con ciertas máquinas con capacidades especiales.

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Impresión 3D de un material compuesto. | Créditos: SABIC

Materiales compuestos de fibra de carbono

Como hemos mencionado, los composites reforzados con fibra de carbono son los más utilizados en la fabricación aditiva. Producida por primera vez en 1860 por el químico Joseph Swan, la fibra de carbono, como su nombre indica, está formada por muchos átomos de carbono unidos entre sí. Muchos la consideran la fibra más eficiente para crear materiales compuestos. De hecho, los materiales que integran esta fibra tienen alta rigidez, alta resistencia a la tracción y buena resistencia química. Además, estos composites se distinguen por su bajo peso y por su tolerancia a altas temperaturas. Su característica más reconocida es la buena relación peso/resistencia, dos veces más alta que la del aluminio.

Los compuestos a base de fibra de carbono se pueden encontrar en muchos sectores, como el aeroespacial, la automoción, la ingeniería civil y muchas otras industrias. Hay matrices como PLA, PETG, nylon, ABS o policarbonato, que de hecho se vuelven más resistentes y ligeras. Además de ser compatible con termoplásticos, la fibra de carbono también se puede mezclar con cerámica. La creación de estos materiales compuestos permitió desarrollar nuevas e innovadoras aplicaciones, como el primer patinete eléctrico impreso en 3D con fibras de carbono.

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Pieza impresa en 3D a partir de nylon reforzado con fibra de carbono. | Créditos: Stratasys

Composites a base de fibra de vidrio

Patentada en 1930, la fibra de vidrio se utiliza también para reforzar muchos polímeros termoplásticos. Sin embargo, a diferencia de los materiales que integran fibra de carbono, los composites de fibra de vidrio son menos rígidos pero menos quebradizos. Es principalmente por estas razones que los materiales rellenos de fibra de vidrio son por lo general más baratos. Además, la fibra de vidrio ofrece buenas propiedades mecánicas; se considera un buen aislante eléctrico y de baja conductividad térmica. En comparación con otros polímeros, el refuerzo es 11 veces más rígido que el ABS.

Ya sea en el sector de la construcción, marítimo o incluso deportivo, este material compuesto está hoy en día muy extendido. Por ejemplo, en colaboración con Autodesk, Catmarine, Micad y Owens Corning, la empresa Moi Composites creó el barco MAMBO mediante impresión 3D con fibra de vidrio.

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Prototipo de una pieza para un puente impreso en 3D a partir de fibra de vidrio. | Créditos: CEAM

Materiales compuestos de Kevlar

Al igual que con las otras fibras, el Kevlar se suele encontrar mezclado con varios tipos de plástico para obtener materiales compuestos. Kevlar es una marca registrada de DuPont de Nemours, comercializada por primera vez en 1971 e inventada por Stephanie Kwolek. Forma parte de la familia de fibras de aramida y es uno de los materiales más resistentes al desgaste. El kevlar cuenta con buenas propiedades mecánicas en términos de tracción y fatiga, y se utiliza principalmente para fabricar piezas expuestas a fuertes vibraciones y que deben resistir la abrasión. Además de ser cinco veces más fuerte y ligero que el acero, también tiene una fuerte resistencia al calor. De hecho, es capaz de soportar temperaturas de hasta 400°C. El kevlar también tiene baja densidad.

En cuanto a la fabricación aditiva, el Kevlar se encuentra principalmente en la industria automotriz aunque, como todos los composites, se puede utilizar para crear en 3D cualquier pieza. Aptera Motors, una empresa estadounidense, también ha impreso en 3D parte de un automóvil con este material compuesto. Esto muestra las posibilidades de los materiales avanzados y reforzados en la actualidad.

Filamento de ABS compuesto de Kevlar. | Créditos: MARKFORGED

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