POLÍMEROS PARA IMPRESIÓN 3D (FDM)

Hoy haremos un breve análisis de los polímeros más conocido en la impresión 3D FDM.

En el modelado por deposición de fundido (FDM, fused deposition modeling), una cabeza extrusora controlada de manera autónoma que se sitúa sobre la plataforma de impresión. Esta cabeza extrusora se mueve en dos ejes (X, Z), mientras que la cama se mueve en un eje (Y), usualmente, aunque en la actualidad ya existen modelos manejados por brazos robóticos.


El cabezal extrusor extruye un filamento del material termoplástico por un pequeño orificio, la capa inicial se deposita sobre la cama de impresión y el resto se van depositando sobres las capas anteriores, por lo que en el caso de existir voladizos se debe imprimir material para el soporte. Las capas que deposita la máquina FDM, se determinan por el diámetro de la boquilla.

En la actualidad se vende más máquinas de FDM que de cualquier otro sistema de prototipado rápido, debido a su precio contenido en comparación a otras tecnologías de fabricación aditiva. (1)

POLÍMEROS PARA IMPRESIÓN 3D FDM

La impresión 3D de polímeros por tecnología FDM está limitada a lo polímeros termoplásticos debido a la naturaleza del proceso de extrusión, en el cual un plástico es fundido para hacerlo pasar por un cabezal y que adopte la sección de este.


Al elegir in polímero termoplástico para impresión 3D, hay muchas propiedades que influirán directamente en la calidad de impresión de la pieza y a las propiedades resultantes de la misma pieza impresa. Las propiedades de interés para la calidad de impresión de un polímero incluye la temperatura de fusión, la temperatura de transición vítrea y el coeficiente de expansión térmica.

La temperatura de fusión afectará a la temperatura a la que debe estar la extrusora, la temperatura de transición vítrea junto con el coeficiente de expansión térmica, se relacionan con la cantidad de estrés térmico al que se ve sometida la pieza durante el proceso de impresión, que además puede afectar a la adherencia al lecho. Todas estas propiedades dependen de la función química del polímero así como de su microestructura. (1) (2) (3)

ACIDO POLILÁCTICO (PLA)

El ácido poliláctico (PLA), es uno de los materiales más usados en las tecnologías FDM, se trata de un polímero biodegradable producido a partir de fuentes renovables como el almidón de maíz o de remolacha. (1)(2)(4)


Presenta un amplio rango inusual de propiedades, desde el estado amorfo hasta el estado cristalino; propiedades que pueden lograrse manipulando las mezclas entre los isómeros D(-) y L(+), los pesos moleculares y la copolimerización. Las propiedades físicas y mecánicas dependen de la composición del polímero, de su peso molecular y de su cristalinidad. La cristalinidad puede ajustarse entre un 0-40%.

La temperatura de procesamiento (Tg.) está entre 60 y 125°C y depende de la proporción de D o L ácido láctico en el polímero. Sin embargo el PLA puede ser plastificado con su monómero o alternativamente con ácido láctico oligomérico y esto permite disminuir Tg.


El PLA tiene propiedades mecánicas en el mismo rango de los polímeros petroquímicos, a excepción de una baja elongación. Sin embargo esta propiedad puede ser afinada durante la polimerización (por copolimerización) o por modificaciones post polimerización (por ejemplo plastificantes).

El PLA puede ser tan duro como el acrílico o tan blando como el polietileno, rígido como el poliestireno o flexible como un elastómero. Puede además ser formulado para dar una variedad de resistencias. Las resinas de PLA pueden ser sometidas a esterilización con rayos gama y es estable cuando se expone a los rayos ultravioleta. Al PLA se le atribuyen también propiedades de interés como la suavidad, resistencia al rayado y al desgaste. (2)(5)


Respecto a las consideraciones a la hora de imprimir en PLA, debemos tener en cuenta que no es necesaria una cama caliente como con otros materiales ya que, el PLA, una vez fundido, se encuentra en un estado menos viscoso que otros materiales, lo cual implica una menor contracción entre capas, y por lo tanto, no necesita un aporte extra de calor para conseguir una buena adherencia entre capas. La temperatura de trabajo del extrusor en el caso del PLA, debe estar entre 190-220º. (6)

PROPIEDADES PLA

Densidad: 1,25 g/cm3
Módulo de elasticidad (Young): 3.5 GPa
Elongación a la rotura: 6%
Módulo de flexión: 4 GPa
Resistencia a la flexión: 80 MPa
Temperatura de transición vítrea: 60ºC
Temperatura de deflexión del calor (a 455 kPa): 65ºC
Comienzo de fusión: 160ºC
Módulo de corte: 2,4 GPa
Capacidad calorífica específica: 1800 J/kg-K
Relación fuerza-peso: 40 kN-m/kg
Resistencia a la tracción (UTS): 50 MPa
Conductividad térmica: 0,13 W/m-K
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ACRILONITRILO BUTADIENO ESTIRENO (ABS)

El acrilonitrilo butadieno estireno es un material muy común para la fabricación de filamentos en 3D. Existen diferentes tipos de este plástico, debido a los diferentes grados de polimerización y cristalinidad, variación de la longitud de la cadena y adición de plastificantes y colorantes. El ABS es particularmente variable debido al hecho de que los tres monómeros utilizados en su producción pueden ser añadidos en diferentes etapas, resultando en distintas mezclas y copolímeros que son etiquetados como ABS. La forma del ABS, utilizada para la impresión con filamentos es muy similar a la utilizada en piezas moldeadas por inyección como los ladrillos de Lego.

El ABS, produce gases tóxicos mientras se funde, produciendo un olor notable y pudiendo llegar a causar dolores de cabeza, por lo que es recomendable que al realizar impresiones 3D con ABS se haga en un lugar bien ventilado. Es favorecido para la impresión 3D debido a sus propiedades reológicas, lo que favorece la obtención de superficies relativamente lisas en FDM. El acrilonitrilo butadieno estireno no es resistente a muchos disolventes, pero esto puede ser usado como una ventaja cuando se quiere alisar las superficies impresas, usando un lavado con acetona o vapor de acetona.

El mayor inconveniente del ABS para las tecnologías FDM comunes es su alta temperatura de transición vítrea, lo que provoca que retenga las tensiones internas de contracción en las primeras etapas de impresión, por este motivo, a menudo se deforman las piezas y se despegan de la placa de impresión. Para solucionar este problema es necesaria una cama caliente capaz de alcanzar una temperatura elevada e imprimir en una cámara cerrada para igualar la temperatura de deposición del material con la temperatura del ambiente de impresión.


La interesante mezcla de propiedades del ABS proviene de los tres componentes que forman la estructura amorfa. El ABS tiene una estructura amorfa debido al gran grupo de colgantes de poliestireno que también añade rigidez a través de los enredos. El butadieno gomoso confiere dureza al material y el acrilonitrilo añade resistencia al calor y a la degradación del medio ambiente.


La mayoría de los ABS comerciados para la impresión 3D se extruyen alrededor de los 220º, con una temperatura elevada de la placa de construcción que depende de los requerimientos de impresión como el tamaño de la pieza, las proporciones de la esta, el grosor de las paredes,… Aún así se puede señalar que generalmente rondará los 60º para piezas pequeñas y los 80º para piezas grandes.
(4)(3)

PROPIEDADES ABS

Densidad: 1,03 a 1,38 g/cm3
Módulo de elasticidad (Young): 2 GPa
Elongación a la rotura: 3% al 75%
Módulo de flexión: 2.1 a 7.6 GPa
Resistencia a la flexión: 69 a 97 MPa
Temperatura de transición vítrea: 100ºC
Temperatura de deflexión del calor (a 455 kPa): 84 a 118ºC
Capacidad calorífica: 1080 a 1400 J/kg-K
Relación fuerza-peso: 31 a 80 kN-m/kg
Resistencia a la tracción (UTS): 33 a 110 MPa
Expansión térmica: 83 a 95 µm/m-K
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POLITEREFTALATO DE ETILENO (PET)

El politereftalato de etileno es el polímero altamente extendido que se utiliza en las botellas de plástico para bebidas y en tejidos de poliéster. Gracias a su uso tan común existen diferentes tipos de este plástico y está muy extendido su reciclaje. El PET, puede formar una estructura altamente cristalizada, pero los cristales crecen lentamente de modo que cuando el PET se enfría rápidamente resulta en una estructura amorfa y en un material transparente. Como resultado, los productos fabricados por FDM con este material son habitualmente bastante claros. El PET impreso se puede alisar fácilmente con vapor de acetona si se hace con seguridad.

El PET se debilita con hidrocarburos como la gasolina, y se disuelve con acetona y químicos con un anillo de benceno.
La muy alta resistencia del PET a la absorción de la humedad lo hace fácil de almacenar para FDM incluso en condiciones húmedas y luego ser extruído con normalidad.


La variante de PET más usada en impresión 3D es el PETG, la G final, significa glycol-modificado, y se refiere a un cambio en la estructura química del polímero que lo hace más transparente, menos frágil y más fácil de procesar que el PET común. Estas mejoras supusieron un aumento del uso del PET para impresión 3D.
El PETG es un poco más resistente a la temperatura que el PLA, pero menos que el ABS. Se empieza a ablandar a los 80ºC, más que el PLA (60ºC) pero menos temperatura que el ABS (100Cº). Puede resistir también las bajas temperaturas durante periodos de tiempo prolongados.
Para imprimir en 3D con PETG, debemos tener en cuenta que se imprime en un rango de temperaturas de entre 220-250º, algo más que el PLA pero sigue siendo posible imprimirlo con prácticamente cualquier hot-end existente. Es recomendable usar una cama caliente para imprimir PETG, la temperatura de esta está entre los 60-90º. A diferencia del ABS, el PETG no produce olor al imprimirse y puede imprimirse en una impresora abierta. (4)(9)(10)

PROPIEDADES

Densidad: 1,3 g/cm3
Módulo de elasticidad (Young): 2.2 GPa
Módulo de flexión: 2.1 GPa
Resistencia a la flexión: 77 MPa
Temperatura de deflexión del calor (a 455 kPa): 69ºC
Temperatura de transición vítrea: 81ºC
Capacidad calorífica específica: 1.200 J/kg-K
Resistencia a la tracción (UTS): 53 MPa
Expansión térmica: 68 µm/m-K
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OTROS POLÍMEROS PARA IMPRESIÓN 3D FDM

PVA: el acetato de polivinilo o PVA es un polímero hidrosoluble, por lo que se disuelve en agua, por ello se emplea en la creación de estructuras de soporte o apoyo para PLA y ABS en impresoras con doble extrusor. Su temperatura de impresión oscila entre los 180 y los 200ºC.

HIPS: el poliestireno de alto impacto es un material muy parecido al ABS, y que requiere los mismos perfiles de temperaturas. Suele usarse en combinación con el ABS para hacer piezas con espacios huecos, usando el HIPS como soporte que luego se eliminará con D-Limoneno, (hidrocarburo transparente con fuerte olor a naranja en el que es soluble mientras que al ABS no le afecta. De esta misma manera, se puede usar como material de soporte para trabajar con PLA. Al igual que el ABS soporta mal la luz UV y su densidad es de 1,04 g/cm3. El rango de temperaturas es igual que las del ABS.

ASA: técnicamente conocido como acrilonitrilo estireno acrilato tiene propiedades similares al ABS, pero con una mayor resistencia a los rayos UV, aunque también es posible encontrar alguna complicaciones a la hora de imprimir con este material, por lo que es recomendable igualmente tener una plataforma de impresión calefactada. Los ajustes de impresión son muy similares a los utilizados por el ABS, en el caso de ASA hay que tener especial cuidado con hacerlo con una máquinas con cámaras cerradas o en un espacio abierto debido a las emisiones del estireno.

PC: el policarbonato (PC) es un material de alta resistencia diseñado para aplicaciones de ingeniería. Este material es capaz de soportar altas temperaturas, pudiendo mantenerse sin deformaciones hasta los 150ºC. El policarbonato es propenso a absorber la humedad del aire, algo que puede afectar su rendimiento y resistencia de impresión. Por ello debe almacenarse en recipientes herméticos.
Se requieren temperaturas muy altas para la impresión, si no se hace adecuadamente es posible que muestre una separación de capas, esto ocurre al imprimirlo con una temperatura demasiado baja, o si se permite un enfriamiento excesivo. Los filamentos de policarbonato que existen actualmente contienen aditivos que permiten que el filamento se imprima a temperaturas más bajas.

Referencias

(1) J.P. Kruth, X. Wang, T. Laoui, L. Froyen 2003 – Lasers and materials in selective laser sintering
https://www.emerald.com/insight/content/doi/10.1108/01445150310698652/full/html

(2) Serope Kalpakjian, Steven R. Schmid 2002 – Manufactura, ingeniería y tecnología 4ª Edición
(México, Pearson Educación)

(3) MakeItFrom – Polylactic Acid (PLA, Polylactide)
https://www.makeitfrom.com/material-properties/Polylactic-Acid-PLA-Polylactide

(4) TextosCientificos.com – Áido poliláctico (PLA)
https://www.textoscientificos.com/polimeros/acido-polilactico

(5) Bates-Green, K., and Howie, T. 2017 – Materials for 3D Printing by Fused Deposition
http://www.materialseducation.org/educators/matedu-modules/docs/Materials_in_FDM.pdf

(6) Biopol – Polylactic Acid (PLA): properties, market and perspectives
http://biopol.free.fr/?p=282

(7) IMPRESORAS3D.com 2018 – Filamento PLA: consejos, características y mucho más
https://www.impresoras3d.com/filamento-pla-consejos-caracteristicas-y-mucho-mas/

(8) Cassidy Silbernagel, CANADA MAKES – Additive Manufacturing 101-7: What is vat photopolymerization?
http://canadamakes.ca/what-is-vat-photopolymerization/

(9) MakeItFrom – Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS)
https://www.makeitfrom.com/material-properties/Acrylonitrile-Butadiene-Styrene-ABS

(10) MakeItFrom – Glycol-Modified Polyethylene Terephthalate (PETG, PET-G)
https://www.makeitfrom.com/material-properties/Glycol-Modified-Polyethylene-Terephthalate-PETG-PET-G

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