Filamentos PAEK en impresión 3D

En el mundo de la impresión 3D FDM/FFF existe desde hace unos años una familia de materiales que destaca claramente por encima de todos, la familia PAEK (polyaryletherketone o poliaril éter cetona). Los materiales que pertenecen a esta clase son plásticos semicristalinos, que resisten altas temperatura (cerca de 200 ºC) manteniendo altos valores de resistencia mecánica.

Dentro de la familia PAEK existe el PEEK, el PEKK y el PEI (ULTEM 1010 y ULTEM 9085). Todos estos presentan alta resistencia mecánica, resistencia química y alta temperatura de inflamabilidad.

Filamento PEEK (PolyEtherEtherKetone)

El PEEK (PolyEtherEtherKetone) es el más cristalino de los tres materiales. Esto indica que tiene los mayores valores de resistencia mecánica de todos (sin tener en cuenta los aleados con fibra de carbono). Pero esto presenta un problema, debido a que las moléculas siguen un patrón de ordenación repetitiva en las tres dimensiones del espacio en estado sólido, es más inestable a la hora de fundirse. Esto implica una alta dificultad del uso del filamento PEEK en impresión 3D incluso para usuarios expertos con impresoras 3D avanzadas.

Filamento PEKK (PolyEtherKetoneKetone)

El PEKK (PolyEtherKetoneKetone) presenta una estructura semicristalina (menos cristalino que el PEEK). Este tipo de estructura aparece cuando un material tiene dos regiones claramente definidas, una amorfa y otra cristalina. Esta condición estructural ofrece un aumento de la facilidad de impresión (menor velocidad de cristalización) manteniendo valores de resistencia similares e incluso superiores a los del PEEK.

El PEKK destaca por encima del PEEK en su resistencia a la compresión, siendo hasta un 80 % superior. Además, este tipo de filamento presenta una resistencia química a una cantidad enorme de fluidos: hidrocarburos halógenos (benceno), fluidos de la automoción (líquido refrigerante), alcohol y soluciones acuosas (agua del mar).

Aplicaciones del PEKK

El uso del PEKK está altamente extendido, desde la medicina hasta aplicaciones militares. Es tal su potencial que hasta la NASA utiliza este material en las impresiones 3D que realiza en el espacio exterior. En medicina algunos centros de desarrollo han creado rodillas, caderas y otros tipos de implantes funcionales con un éxito rotundo en sus pacientes. La unión de todas sus ventajas ha ayudado al desarrollo de cascos militares ligeros, resistentes y anti reflejantes para evitar ser descubiertos por la luz emitida por una linterna enemiga. Por último, grandes empresas de la aeronáutica utilizan el PEKK para realizar piezas funcionales para sus aviones.

Filamento PEI (ULTEM 1010 Y ULTEM 9085)

El PEI (ULTEM 1010 Y ULTEM 9085) es el material más modificado dentro de la familia PAEK, incluso llegando a tener la designación de resina por los expertos en la materia. La resistencia térmica de este material es una de las más alta del sector de la impresión 3D FDM/FFF, teniendo una temperatura de transición vítrea de 215 ºC y una temperatura máxima de trabajo constante con una presión de 0.45 MPa de 200 ºC.

La ventaja del PEI es que a estas temperaturas las propiedades mecánicas casi no varían. Esto es debido a que su gran estabilidad dimensional mantiene la forma estructural incluso al elevar la temperatura, algo impensable con la mayoría de materiales existentes en la impresión 3D FDM/FFF.

Aplicaciones del PEI

El ULTEM 1010 es comúnmente utilizado para realizar herramientas de moldeo por inyección de ciclo corto, herramientas de laminado de fibra de carbono y otros tipos de moldes que están sometidos a elevados valores de presión y temperatura (Autoclave). Dentro de este tipo de moldes de alta resistencia están los utilizados para el proceso de vulcanización de plásticos, como el caucho. Gracias al PEI ULTEM 1010 se pueden realizar moldes de manera más rápida, sencilla y barata que los actuales moldes de acero. Por otro lado, el ULTEM 9085 es el material revelación de la industria de la aeronáutica. Su resistencia térmica, resistencia química, resistencia a la rotura y alto rendimiento hacen posible que este material cumpla con los más rigurosos criterios de pruebas y trazabilidad requeridos por la industria aeroespacial y las agencias reguladores de los certificados.

Continua innovación en la mejora de materiales

Grandes fabricantes de filamentos como el francés Nanovia han revolucionado el mercado mejorando tanto el PEKK como PEI (ULTEM 1010) con fibra de carbono. La fibra de carbono es un material pseudo-amorfo que le ofrece a estos materiales un punto de fusión más bajo, cristalización más lenta y mantiene la temperatura de cristalización alta (Tg= 160 ºC), esto se traduce en un aumento de la facilidad de impresión. A parte, esta unión también potencia la estabilidad estructural, mejorando las propiedades mecánicas. Por todo lo anterior el PEKK CF y el PEI CF se han ganado un puesto dentro de la categoría de los materiales más potentes y fáciles de utilizar dentro de impresión 3D FDM/FFF. Además, estos dos materiales compiten a nivel general con los termoplásticos más utilizados en la industria de la ingeniería (polisulfonas, sulfuros de polifenileno y policetonas).

Imagen 2: PEI CF. Fuente: Nanovia

Requisitos para el uso de Materiales PAEK

Por último debemos comentar que la utilización de estos materiales avanzados es para usuarios experimentados con impresoras 3D de avanzada tecnología. Los requisitos mínimos que debe disponer una impresoras 3D FDM/FFF para utilizar estos materiales son: Temperatura de extrusor 370-400 ºC, temperatura de base superior a 150 ºC, temperatura de cámara superior a 80 ºC. Estos valores son necesarios debido a la sensibilidad de deformación estructural en contacto con zonas de aire a distinta temperatura de estos materiales.

La conclusión final es que todos los materiales que pertenecen a la familia PAEK (PEEK, PEKK, PEI, PEKK CF, PEI CF) están en lo más alto de la utilización industrial gracias a su elevada temperatura de inflamabilidad, su resistencia química, su resistencia mecánica y a su buen ratio de resistencia/peso.