{"id":78418,"date":"2024-11-12T15:00:22","date_gmt":"2024-11-12T14:00:22","guid":{"rendered":"https:\/\/www.3dnatives.com\/es\/?p=78418"},"modified":"2024-11-08T10:24:26","modified_gmt":"2024-11-08T09:24:26","slug":"fibras-continuas-vs-cortas-refuerzo-impresion-3d-121120242","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.3dnatives.com\/es\/fibras-continuas-vs-cortas-refuerzo-impresion-3d-121120242\/","title":{"rendered":"Fibras continuas VS cortas: \u00bfqu\u00e9 tipo de refuerzo elegir para las piezas impresas en 3D?"},"content":{"rendered":"

Cuando se quieren conferir propiedades espec\u00edficas y superiores a las piezas impresas en 3D, se suele recurrir a los materiales compuestos. Estos pueden ser incluso m\u00e1s resistentes que algunos metales y ofrecer un alto rendimiento. Tambi\u00e9n llamados composites, est\u00e1n formados por al menos dos materiales que se combinan para conseguir propiedades nuevas o mejoradas en comparaci\u00f3n con las materias iniciales. Como podemos imaginar, existen numerosos materiales compuestos<\/a>, aqu\u00ed nos centraremos en los formados por una matriz polim\u00e9rica y fibras de refuerzo. En la industria de la impresi\u00f3n 3D, la fibra de carbono, la fibra de vidrio y el Kevlar son tres de los materiales de fibra m\u00e1s utilizados para los materiales compuestos.<\/p>\n

En este art\u00edculo, analizaremos y compararemos la impresi\u00f3n 3D de materiales compuestos reforzados con fibras cortas y continuas. Estas dos t\u00e9cnicas similares dan resultados diferentes y pueden ser usadas en diferentes tecnolog\u00edas. La que destacaremos en este caso es la tecnolog\u00eda m\u00e1s com\u00fan, es decir, la extrusi\u00f3n de material. Pero, \u00bfcu\u00e1les son las similitudes y diferencias de estas dos t\u00e9cnicas y c\u00f3mo elegir el tipo de refuerzo m\u00e1s adecuado para cada aplicaci\u00f3n espec\u00edfica? Ve\u00e1moslo a continuaci\u00f3n.<\/p>\n

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Cr\u00e9ditos: Anisoprint<\/p><\/div>\n

Caracter\u00edsticas de las fibras cortas y continuas<\/h3>\n

Entendemos las fibras cortas como trozos m\u00e1s peque\u00f1os de material fibroso, que pueden variar en longitud desde cent\u00edmetros hasta mil\u00edmetros, e incluso m\u00e1s peque\u00f1os. Se trata de un proceso similar al utilizado para reforzar el hormig\u00f3n con trozos de barras de refuerzo. De esta forma, las fibras se dispersan en la matriz pl\u00e1stica y act\u00faan como refuerzo a lo largo de todo el material. Por su parte, las fibras continuas son hilos largos que se extienden a lo largo de toda la pieza de material compuesto. Estas fibras se integran en una matriz pl\u00e1stica mediante el proceso de impresi\u00f3n 3D, creando un material compuesto que combina las propiedades de ambas. Antes de pasar al proceso de fabricaci\u00f3n aditiva en s\u00ed y los puntos a tener en cuenta a la hora de crear dichas piezas, es importante conocer las caracter\u00edsticas de ambos refuerzos.<\/p>

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En los dos casos encontramos la misma composici\u00f3n de material: un elemento de refuerzo (fibras) y un elemento de matriz (pol\u00edmero). El primero proporciona las propiedades mec\u00e1nicas, mientras que el segundo sirve como recipiente y, con ayuda de una resina, se asegura de que ambos elementos se mantengan juntos, es decir, que la fibra se adhiera al material durante la fabricaci\u00f3n. Una vez se han elegido los compuestos la matriz (pol\u00edmeros como el PLA, ABS, polipropileno, HIPS, PETG, etc.) y las fibras de refuerzo (vidrio, carbono o aramida), llega el momento de juntarlas en un mismo material.<\/p>\n

La obtenci\u00f3n de las fibras cortas puede realizarse mediante un proceso de extrusi\u00f3n, donde la mezcla con la matriz se funde y se extruye para formar un \u00fanico filamento. Durante este proceso, es posible controlar la temperatura y la velocidad con el fin de asegurar una buena distribuci\u00f3n de las fibras. Las fibras continuas, a la hora de formar filamentos, se pueden coextrusionar con una resina especial a trav\u00e9s de un proceso mediante el cual se mezcla, cura y solidifica la mezcla con la resina. En algunos casos existen sistemas de fabricaci\u00f3n que imprimen directamente la matriz y el refuerzo al mismo tiempo durante la deposici\u00f3n sucesiva de capas, pero esto es algo que veremos m\u00e1s adelante. En ambos casos, las fibras cortas y continuas deben estar limpias y libres de contaminantes para asegurar una buena adhesi\u00f3n a la matriz de pol\u00edmero.<\/p>\n

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Diferencia en la disposici\u00f3n de las fibras cortas y continuas en la matriz. (Cr\u00e9ditos: Coperion)<\/p><\/div>\n

Si nos centramos en las caracter\u00edsticas propias de los materiales reforzados, vemos que estas difieren mucho dependiendo del pol\u00edmero utilizado como matriz y la elecci\u00f3n del tipo de fibra. Obviamente, si el pl\u00e1stico base es de ingenier\u00eda, el compuesto tendr\u00e1 propiedades m\u00e1s avanzadas que los que tengan pl\u00e1sticos est\u00e1ndar de matriz. Por ejemplo, si un compuesto tiene como pol\u00edmero de matriz el polipropileno, tendr\u00e1 de base una buena resistencia al desgaste, capacidad para absorber impactos y una mayor dureza y flexibilidad. Si por el contrario, se utiliza PLA, el compuesto ser\u00e1 m\u00e1s f\u00e1cil de imprimir, pero tendr\u00e1 una tendencia mayor a la fractura debido a la baja resistencia del material.<\/p>\n

En cuanto a los tipos de fibras que hay, tanto cortas como continuas, destacan principalmente tres: carbono, vidrio y aramida (Kevlar). Las fibras de carbono<\/a> son las m\u00e1s utilizadas en la industria manufacturera, debido a la alta resistencia y rigidez que ofrecen a las piezas finales. Los refuerzos con fibra de vidrio son generalmente m\u00e1s asequibles y ofrecen tambi\u00e9n una buena resistencia, aunque no tanta como la de carbono. Por \u00faltimo, las fibras de Kevlar<\/a> suelen usarse en chalecos antibalas por su alta resistencia al impacto y a los golpes. En cualquiera de los casos, el resultado de utilizar fibras de refuerzo, tanto cortas como continuas, ser\u00e1 la obtenci\u00f3n de piezas resistentes y ligeras.<\/p>\n

El proceso de impresi\u00f3n 3D<\/h3>\n

La mayor\u00eda de las impresoras 3D capaces de procesar materiales compuestos se basan en el proceso de extrusi\u00f3n de pol\u00edmeros. En lo que respecta a la impresi\u00f3n 3D FFF de fibras cortas, el proceso es el sencillo. Las fibras cortas se dividen en peque\u00f1os trozos que se mezclan con material pl\u00e1stico para formar una bobina de filamento que pueda utilizarse con impresoras 3D FFF. En este caso, las fibras simplemente se suspenden en el termopl\u00e1stico, que se calienta y se extruye para formar la pieza capa a capa como cualquier otra pieza fabricada con esta tecnolog\u00eda. Sin embargo, se necesitar\u00e1 una boquilla endurecida para resistir las hebras abrasivas de las fibras.<\/p>\n

La impresi\u00f3n 3D de compuestos con fibra continua, por otro lado, es un poco m\u00e1s compleja. En el proceso de extrusi\u00f3n del material, a menudo se requiere una segunda boquilla para depositar el troquel y la hebra de fibra continua por separado. Por otra parte, el cabezal de la boquilla \u00fanica debe tener una construcci\u00f3n espec\u00edfica para mezclar la fibra con la matriz. El proceso consiste en colocar fibras continuas con una direcci\u00f3n espec\u00edfica dentro de la matriz. \u00c9sta act\u00faa como una carcasa que contiene las fibras de refuerzo. Para garantizar la adherencia de las fibras con la matriz, se suele utilizar una matriz o relleno a base de resina termoendurecible. A continuaci\u00f3n, se polimeriza mediante luz ultravioleta o una fuente de calor para fusionar las capas y los materiales. Hay que decir que esta descripci\u00f3n es bastante gen\u00e9rica, ya que existen numerosas tecnolog\u00edas patentadas para la impresi\u00f3n 3D de compuestos de fibra continua que difieren entre s\u00ed, aunque s\u00f3lo sea ligeramente.<\/p>\n

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Impresi\u00f3n 3D de una matriz de pol\u00edmero y refuerzo de fibra de Kevlar. (Cr\u00e9ditos: Markforged)<\/p><\/div>\n

Un aspecto importante a la hora de imprimir con fibras continuas, es el uso de software de an\u00e1lisis de elementos finitos (FEA). Se trata de un m\u00e9todo inform\u00e1tico para predecir c\u00f3mo reaccionar\u00e1 un producto ante fuerzas y est\u00edmulos externos. Esto permite analizar las caracter\u00edsticas de los materiales y definir con precisi\u00f3n el modelo seg\u00fan el cual deben disponerse las fibras continuas en la matriz. Por otro lado, esto implica cumplir ciertas limitaciones de dise\u00f1o para priorizar el correcto posicionamiento de las fibras y, por tanto, el rendimiento de la pieza. As\u00ed, las propiedades espec\u00edficas del material se definir\u00e1n seg\u00fan un proceso controlado. Este no es el caso de los composites reforzados con fibras cortas, ya que con \u00e9stos no es posible controlar la cantidad y la posici\u00f3n de las fibras depositadas, representando un todo con la matriz.<\/p>\n

Ventajas y limitaciones<\/h3>\n

Como sabemos, algunos de los principales beneficios de la impresi\u00f3n 3D con composites<\/a> incluyen una mayor flexibilidad y velocidad de fabricaci\u00f3n, as\u00ed como la capacidad de crear piezas complejas en comparaci\u00f3n con otros m\u00e9todos m\u00e1s tradicionales. Adem\u00e1s, otra ventaja que se puede observar con esta tecnolog\u00eda, siempre y cuando se utilicen fibras continuas, es que permite controlar el proceso de deposici\u00f3n y decidir d\u00f3nde y c\u00f3mo colocar el refuerzo para las piezas finales.<\/p>\n

Si nos centramos en los beneficios de las fibras cortas y continuas como refuerzos en la impresi\u00f3n 3D, podemos encontrar algunos puntos en com\u00fan. Ambos tipos de fibras proporcionan una resistencia mec\u00e1nica superior en comparaci\u00f3n con los pl\u00e1sticos no reforzados. Concretamente, mejoran la rigidez del material y aumentan su resistencia a la fatiga y al impacto. Adem\u00e1s, las fibras como la de carbono son muy ligeras, lo que ayuda a mantener un peso bajo en aplicaciones donde esto es cr\u00edtico. De igual forma, las fibras cortas y continuas comparten algunas limitaciones. Este es el caso de la necesidad de requerir de equipos especializados de impresi\u00f3n 3D para su correcta fabricaci\u00f3n. Asimismo, hay muchos puntos a tener en cuenta a la hora de obtener el material compuesto, como por ejemplo, la adhesi\u00f3n entre la fibra y la matriz pl\u00e1stica, que puede suponer un desaf\u00edo.<\/p>\n

Por otro lado, hay algunos aspectos en los que ambos tipos de fibras pueden diferenciarse. La principal limitaci\u00f3n de las fibras cortas en comparaci\u00f3n con las continuas es que proporcionan un refuerzo menos efectivo. Esto se debe a que la orientaci\u00f3n y distribuci\u00f3n de las fibras cortas a lo largo del compuesto es m\u00e1s compleja, adem\u00e1s de aleatoria, mientras que las continuas son constantes. As\u00ed, el efecto de refuerzo con fibras cortas es menos pronunciado, lo que puede no ser suficiente para aplicaciones que requieren alta resistencia. Sin embargo, una ventaja clave de las fibras cortas es que son m\u00e1s f\u00e1ciles de procesar y generalmente m\u00e1s econ\u00f3micas que las fibras continuas, lo cual las hace m\u00e1s accesibles. Adem\u00e1s, pueden ser utilizadas con una mayor variedad de pl\u00e1sticos, permitiendo una alta flexibilidad de dise\u00f1o.<\/p>\n

Principales aplicaciones<\/h3>\n

La elecci\u00f3n entre fibras continuas y cortas, as\u00ed como del pl\u00e1stico de matriz, depender\u00e1 del tipo de aplicaci\u00f3n y de los requisitos de rendimiento. Las fibras continuas son ideales para aplicaciones que demandan alta resistencia y rigidez, mientras que las fibras cortas son m\u00e1s adecuadas para proyectos que buscan facilidad de procesamiento y un coste m\u00e1s bajo. Por esta raz\u00f3n, las fibras continuas suelen ser m\u00e1s utilizadas para componentes estructurales en industrias avanzadas, como la automotriz<\/a> (refuerzos de chasis o componentes interiores) o la aeron\u00e1utica (estructuras de soporte y componentes en aviones). Tambi\u00e9n pueden implementarse en productos de consumo que requieren alta resistencia, como bicicletas o equipamiento deportivo. Por su parte, las fibras cortas impresas en 3D suelen ser m\u00e1s utilizadas para prototipos y piezas decorativas. Asimismo, se suelen usarse para piezas en la industria del embalaje, la rob\u00f3tica, los productos de consumo y otros componentes donde la alta resistencia a la tracci\u00f3n no sea un aspecto vital.<\/p>\n

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Pieza fabricada con fibra de carbono. (Cr\u00e9ditos: Weerg)<\/p><\/div>\n

Fabricantes y precio<\/h3>\n

Las soluciones de impresi\u00f3n 3D para materiales compuestos de fibras cortas y continuas, aunque no son tan numerosas como las de pol\u00edmeros y metales<\/a> est\u00e1ndar, son bastante variadas y van desde brazos rob\u00f3ticos a impresoras industriales o soluciones de escritorio.<\/p>\n

Entre los proveedores de soluciones de impresi\u00f3n 3D de fibra continua, Markforged ofrece la tecnolog\u00eda Continuous Fibre Fabrication (CFF) y una gama de soluciones industriales y de escritorio. Estas son capaces de imprimir PLA, TPU, White Nylon, Onyx\u2122 y compuestos ULTEM reforzados con fibra de carbono, Kevlar o fibra de vidrio. Anisoprint, por su parte, desarrolla m\u00e1quinas industriales de impresi\u00f3n 3D de fibra continua con su tecnolog\u00eda por coextrusi\u00f3n de fibra compuesta (CFC). Las soluciones de escritorio permiten una amplia flexibilidad en la selecci\u00f3n de materiales con un sistema abierto, mientras que la soluci\u00f3n industrial ProM IS 500 es compatible con pl\u00e1sticos de alto rendimiento como PEI, PEEK, PEKK y otros. Otras empresas que cuentan soluciones de impresi\u00f3n 3D de fibra continua son Continuous Composites o CEAD, que ofrece una soluci\u00f3n LFAM.<\/p>\n

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Cr\u00e9ditos: Anisoprint<\/p><\/div>\n

Adem\u00e1s, como ya se ha mencionado, cada vez son m\u00e1s las startups que estudian y patentan nuevos procesos de impresi\u00f3n 3D para composites de fibra continua, entre las que se encuentran Moi Composites, SphereCube, Fabheads, 9T Labs y Arevo. Cabe mencionar que no s\u00f3lo existen tecnolog\u00edas para el refuerzo de fibra continua durante el proceso de producci\u00f3n. Por ejemplo, la startup espa\u00f1ola Reinforce 3D ide\u00f3 la tecnolog\u00eda CFIP (Continuous Fibre Injection Process) para el refuerzo de piezas con fibras continuas en la fase de postratamiento, tras la fabricaci\u00f3n aditiva. En cuanto a los fabricantes de impresoras 3D para materiales compuestos de fibras cortas, encontramos principalmente fabricantes de m\u00e1quinas FDM capaces de procesar estos composites reforzados con fibra de carbono de alto rendimiento. Entre ellos se encuentran Roboze, Stratasys, 3ntr, miniFactory, BigRep, WASP o Creality (como vemos, la lista no es muy exhaustiva).<\/p>\n

Si nos fijamos en los precios, la principal diferencia est\u00e1 relacionada con el tipo de m\u00e1quina utilizada. Tanto para la impresi\u00f3n 3D de fibras cortas como para la de fibras continuas, el precio suele ser elevado en el caso de las soluciones industriales, ya que se trata de materiales que requieren condiciones de impresi\u00f3n especiales, como altas temperaturas para la boquilla, la c\u00e1mara, etc. Las m\u00e1quinas de escritorio para compuestos de fibra corta pueden costar a partir de 400 euros, mientras que las de impresi\u00f3n 3D de fibra continua rondan los 9.000 euros. En cuanto a las soluciones industriales, los fabricantes no siempre revelan sus precios, que pueden alcanzar varios cientos de euros seg\u00fan el proceso y el tama\u00f1o. En este caso, es posible solicitar presupuestos directamente a trav\u00e9s de los sitios web oficiales de las empresas.<\/p>\n

\"Fibras<\/p>\n

\u00bfQu\u00e9 piensas de la comparativa entre fibras continuas y cortas en la impresi\u00f3n 3D? Deja tus comentarios en nuestras redes sociales: Facebook<\/a>, LinkedIn<\/a> y\u00a0Youtube<\/a>. Sigue toda la informaci\u00f3n sobre impresi\u00f3n 3D en nuestra Newsletter semanal<\/a>.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Cuando se quieren conferir propiedades espec\u00edficas y superiores a las piezas impresas en 3D, se suele recurrir a los materiales compuestos. Estos pueden ser incluso m\u00e1s resistentes que algunos metales y ofrecer un alto rendimiento. Tambi\u00e9n llamados composites, est\u00e1n formados…<\/p>\n","protected":false},"author":6070,"featured_media":78422,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"content-type":"","footnotes":""},"categories":[16,12,283],"tags":[],"class_list":["post-78418","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-actualidad","category-materiales","category-materiales-impresion-3d"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.3dnatives.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/78418","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.3dnatives.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.3dnatives.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.3dnatives.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/users\/6070"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.3dnatives.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=78418"}],"version-history":[{"count":2,"href":"https:\/\/www.3dnatives.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/78418\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":78477,"href":"https:\/\/www.3dnatives.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/78418\/revisions\/78477"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.3dnatives.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media\/78422"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.3dnatives.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=78418"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.3dnatives.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=78418"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.3dnatives.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=78418"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}