Conservación de materiales de impresión 3D

Nota: En esta guía se tratan los conceptos de forma general y sin enfocarse en una marca o modelo concreto, aunque se puedan mencionar en algún momento. Pueden existir diferencias importantes en los procedimientos de calibración o ajuste entre diferentes marcas y modelos, por lo que se recomienda consultar el manual del fabricante antes de leer esta guía.

La calidad final de las piezas impresas está fuertemente influenciada por la calidad de la materia prima empleada en la producción del filamento, así como por la conservación de este.

Esto se debe a que cuanto más homogéneas y constantes sean las propiedades de filamento, más uniforme será la extrusión y mejor calidad superficial tendrá la pieza final.

Respecto a la calidad de la materia prima, el uso de resinas de diferentes fabricantes o la adición de material reciclado, pueden afectar a las propiedades térmicas y reológicas del material. Si la mezcla no es completamente uniforme, las propiedades pueden variar a lo largo del filamento provocando pequeñas inconsistencias en la extrusión que se reflejarán en la pieza. Es por esto que adquirir filamentos de calidad procedentes de fabricantes reconocidos y fiables suele ser la mejor opción cuando se busca la máxima calidad de impresión.

Otro factor importante es la conservación de los filamentos. Un filamento de la mejor calidad puede proporcionar una mala calidad o resultados inesperados si no se conserva adecuadamente. La temperatura y la humedad pueden alterar y degradar las propiedades de los materiales de impresión.

Efecto de la humedad en los filamentos

Uno de los factores críticos en la conservación de los materiales de impresión y el que más problemas suele producir es la conservación de los filamentos en ambientes húmedos.

Imagen 1: Pieza impresa con un filamento sin humedad (izquierda) y con humedad (derecha). Fuente: all3dp.com

Todos los materiales plásticos tienen una propiedad conocida cómo higroscopicidad. Esta propiedad define la capacidad del material para absorber humedad.

En mayor o menor medida, todos los filamentos absorben humedad, sin embargo los plásticos se suelen clasificar como higroscópicos y no higroscópicos.

Los plásticos higroscópicos presentan una elevada afinidad para captar humedad en grandes porcentajes. Esta humedad se capta a nivel molecular por todo el material, incluso en el interior del filamento. Dentro de los filamentos, los materiales considerados higroscópicos son:

• ABS
• ASA
• PETG
• CPE
• Nylon
• PC
• TPE
• TPU
• Todos los derivados de los anteriores

Para garantizar la máxima calidad de impresión, es recomendable secar periódicamente estos materiales. Algunos cómo el nylon o el PC se deben secar antes de cada uso, mientras que otros como el ABS o ASA proporcionan resultados aceptables incluso saturados de humedad, debido a su bajo grado de higroscopicidad. Para reducir la periodicidad de secado de los filamentos, es recomendable conservarlos libres de humedad en recipientes herméticos con desecante.

Imagen 2: Pieza impresa con un filamento de nylon húmedo antes de secar (derecha) y después de secar (izquierda). Fuente: all3dp.com

En general, este tipo de filamentos recuperan completamente sus propiedades tras el secado, sin embargo hay algunos casos específicos de plásticos higroscópicos en los que no es posible regenerar completamente el material tras el secado. Estos materiales son:

• PLA
• PVB
• PVA
• BVOH
• Cualquier filamento derivado de los anteriores o de soporte solubles en agua

La presencia de humedad en estos materiales produce un efecto conocido como hidrólisis. En este proceso, las moléculas de agua rompen los grupos éster del polímero, provocando de esta forma la degradación natural del material. Este es el principio por el que, por ejemplo, los soportes de PVA se disuelven en agua.

En este tipo de materiales, el almacenamiento es crítico y se deben mantener en todo momento almacenados libres de humedad.

Imagen 3: Contenedor Printdry para almacenar filamentos en vacío. Fuente: Printdry.com

Algunos filamentos, como el PLA, tienen una tasa de hidrólisis muy lenta, por lo que el material tarda semanas en degradarse en presencia de humedad. En estos casos puede exponerse la bobina al aire durante la impresión y mantenerla seca sólo durante el almacenaje. Es recomendable secar el material periódicamente para alargar su vida útil. El principal indicador de que un filamento de PLA se ha degradado por hidrólisis es la fragilización del material. Un PLA degradado por efecto de la humedad será quebradizo y tenderá a romperse con facilidad. En estos casos, secar el filamento ayudará a conseguir una calidad de impresión aceptable, pero no se recuperarán las propiedades del material, por lo que las piezas obtenidas presentarán también mayor fragilidad.

Imagen 4: Secador de filamentos activo Printdry pro. Fuente: Printdry.com

En el caso de los materiales de soporte solubles en agua, como el PVA o el BVOH, su tasa de hidrólisis es muy elevada y el material puede degradarse en pocas horas de exposición. Es muy recomendable almacenar estos materiales en recipientes específicos incluso durante la impresión. En este caso, secar la bobina puede servir si el material no ha permanecido mucho tiempo expuesto a la humedad, pero si no se ha conservado adecuadamente será, en la mayoría de casos, irrecuperable.
Un filamento de PVA o BVOH con humedad presentará una muy baja adherencia y provocará, en muchos casos, atascos en el hotend.

Aunque la mejor forma de almacenar este tipo de materiales, es guardarlos envasados al vacío, lo más habitual es hacerlo en recipientes herméticos con material desecante. Sin embargo, esto último se suele hacer de forma inadecuada.

El material desecante más usado es el gel de sílice, compuesto por perlas microporosas de silicato sódico capaces de captar una gran cantidad de humedad. Este desecante tiene una capacidad limitada de captar humedad, y una vez saturado, pierde completamente su efectividad.

Imagen 5: Bolsas de gel de sílice. Fuente: Pixabay.com

Las bolsas desecantes que incluyen los filamentos suelen estar prácticamente saturadas cuando compramos un material, ya que los fabricantes las incluyen para eliminar la humedad del interior de la bolsa hermética y garantizar la conservación del material durante su almacenamiento antes de la venta. Sin embargo, cuando abrimos por primera vez un nuevo filamento, volvemos a introducir humedad en la bolsa hermética, por lo que es recomendable sustituir periódicamente las bolsas de desecante.

Una opción recomendable es adquirir gel de sílice reutilizable. Este material cambia de color cuando se satura de humedad indicando que debemos reemplazarlo. El gel de sílice saturado puede regenerarse indefinidamente para su reutilización calentándolo en el horno a 180 ºC durante un par de horas.

Imagen 6: Gel de sílice reutilizable con indicador de humedad. Fuente: labchem-wako.fujifilm.com/

Unos pocos materiales de impresión 3D se consideran no higroscópicos, por lo que no requieren ninguna medida especial de conservación. Estos son:

• PP
• HIPS
• PVC

Efecto de la temperatura en los filamentos

La temperatura no suele ser un factor crítico en la conservación de los filamentos de impresión 3D, sin embargo hay que tener en cuenta un factor que en algunas situaciones concretas pueden ser causa de problemas.

Todos los termoplásticos, ya sean amorfos o semicristalinos, tienen una propiedad conocida como temperatura de transición vítrea (Tg). Cuando un plástico se calienta por encima de su temperatura de transición vítrea, pasa a tener un comportamiento viscoelástico lo que implica que cualquier deformación del material pasa a ser permanente.

En general, todos los filamentos presentan Tg muy por encima de las temperaturas habituales de almacenamiento, sin embargo el problema puede aparecer cuando se trata de secar un filamento empleando temperatura. Es muy importante no sobrepasar la Tg durante tiempos prolongados, ya que puede llegar a provocar variaciones en el diámetro del filamento, o en casos extremos a hacer que fragmentos de filamento se fusionen entre sí. Es por esto que no se debe secar el filamento empleando hornos de cocina, incapaces de controlar adecuadamente la temperatura.

Por otro lado, los filamentos de PLA, y especialmente los de mayor calidad, presentan Tg muy bajas, comprendidas entre 45 ºC y 55 ºC. Esto provoca que sea posible superar esta temperatura en determinadas situaciones habituales, como el interior de un vehículo en verano.

Es muy importante proteger de la humedad los materiales de impresión 3D para conseguir una buena calidad final de las piezas. Algunos materiales como el nylon o el PETG se pueden secar fácilmente para regenerar sus propiedades, sin embargo otros como el PLA o el PVA se degradan en presencia de humedad variando sus propiedades de forma permanente. A la hora de secar los filamentos con calor es muy importante emplear equipos especializados capaces de controlar de manera precisa la temperatura para evitar producir deformaciones en el filamento que puedan afectar a la impresión.

Para asegurar una calidad de impresión óptima así como la máxima conservación del material es imprescindible almacenarlo en condiciones adecuadas de temperatura y humedad.