Impresión 3D con materiales compuestos. Qué hay que tener en cuenta

Cada vez es más común encontrar filamentos de materiales compuestos. Estos materiales están formados por una matriz de plástico y un relleno de partículas o fibras. El objetivo de este relleno puede ser muy variado, desde aumentar las propiedades mecánicas finales del material hasta mejorar su aspecto estético o añadir una nueva propiedad como conductividad. Así podemos encontrar tres tipos de materiales compuestos:

Materiales reforzados con fibras

Se trata de materiales cuyo objetivo es mejorar las propiedades mecánicas generales de la matriz. La matriz plástica puede ser cualquier material de impresión 3D mientras que los refuerzos más empleados son fibra de vidrio, fibra de carbono y fibra de aramida.

• Fibra de Vidrio: Aporta una mayor resistencia ante esfuerzos de tracción. Presenta buena flexibilidad y mejora la resistencia a flexión. Proporciona una mayor temperatura de trabajo al material final.
• Fibra de Carbono: Al igual que la fibra de vidrio, aumenta la resistencia a tracción y flexión, sin embargo proporciona una mayor rigidez.
• Fibra de Aramida: Destaca principalmente por su elevada resistencia a impactos y a fatiga.

Los filamentos reforzados con fibras se consideran materiales técnicos y están destinados principalmente a la producción de componentes funcionales de alto rendimiento. En general podemos encontrar materiales con cargas comprendidas entre el 10% y el 20%. 

Imagen 1: Pieza impresa con Nylon reforzado con fibra de carbono. Fuente: Fillamentum

Los materiales reforzados con fibras más frecuentes son aquellos basados en nylon, sin embargo cada vez es más frecuente encontrar otro tipo de matrices cómo el ABS, el PLA, el PC o especialmente el PETG.

Materiales con cargas de función estética

Se trata de materiales cargados con diversos tipos de partículas y fibras, cuya principal función es variar el acabado estético del material de base. Podemos encontrar principalmente 4 tipos de cargas:

• Fibras o partículas de madera: Se trata de materiales con una elevada carga de partículas o fibras vegetales cuya función es proporcionar un acabado similar a la madera.

• Partículas minerales o cerámicas: Generalmente partículas de yeso con distintos colorantes. Se emplean para conseguir acabados similares a la cerámica, piedra o arcilla.

• Fibras vegetales: Se emplean principalmente con PLA. Su función es proporcionar un acabado mate.

• Partículas fosforescentes: El material más empleado es el polvo de aluminato de estroncio, que proporciona un característico brillo verde. Se emplea en los filamentos “Glow” o que brillan en la oscuridad.

Imagen 2: Coche de juguete producido con PLA cargado con fibras de madera. Fuente: Fillamentum

En general, este tipo de cargas se combinan con una matriz de PLA para maximizar la compatibilidad con todo tipo de impresoras, ya que no se busca un buen comportamiento mecánico, sino un acabado estético concreto.

Materiales con cargas que proporcionan nuevas propiedades

En algunas ocasiones, la función de las cargas no es mejorar las propiedades propias de la matriz, sino aportar una nueva propiedad física. Las más comunes son la conductividad mediante el uso del grafeno y el magnetismo a través de partículas de ferrita, aunque es posible encontrar otras más exóticas como el blindaje electromagnético proporcionado por el carburo de boro.

Video 1: Pieza fabricada con filamento ferromagnético. Fuente: Protopasta

Se trata de materiales menos comunes y desarrollados para determinadas aplicaciones específicas.

Materiales con cargas metálicas y cerámicas para sinterizado.

Se trata de filamentos con una alta carga de polvo metálico o cerámico, destinados a la impresión de piezas que posteriormente se procesarán mediante tratamientos de debinding y sinterizado. En general la matriz está compuesta por materiales de baja temperatura basados en PLA o ceras para facilitar las tareas de debinding, que puede ser térmico, químico o una combinación de ambos.

Cómo imprimir filamentos con cargas

Selección del diámetro de Boquilla

Algunos filamentos con cargas requieren el uso de boquillas con diámetros superiores a 0.4. En general, los fabricantes de filamentos con cargas incluyen en la ficha técnica el tamaño mínimo de boquilla recomendado, sin embargo en caso de no especificarlo, se debe tener en cuenta las siguientes indicaciones:

• Fibra de vidrio: Es recomendable emplear siempre boquillas de al menos 0.6 mm, debido a que suele incluir fibras de gran tamaño.

• Fibra de carbono: Si se especifica que el filamento emplea fibra corta, es probable que se pueda emplear una boquilla de 0.4 mm sin riesgo de sufrir obstrucciones. En el caso de que no se especifique que contiene fibra corta, se recomienda empezar con una boquilla de 0.6 mm y probar a usar una de 0.4 mm cuando ya se haya conseguido imprimir satisfactoriamente con la boquilla de mayor tamaño.

• Fibra de aramida: Se recomienda empezar con una boquilla de 0.6 mm y probar a usar una de 0.4 mm cuando ya se haya conseguido imprimir satisfactoriamente con la boquilla de mayor tamaño.

• Fibras o partículas de madera: Es recomendable usar siempre boquillas de al menos 0.6 mm, y en algunos casos incluso de 0.8 mm.

• Partículas minerales o cerámicas: Salvo en aquellos casos en los que la carga sea muy alta, en general es posible imprimir este tipo de filamentos con boquillas de 0.4 mm.

• Fibras vegetales: Se recomienda empezar con una boquilla de 0.6 mm y probar a usar una de 0.4 mm cuando ya se haya conseguido imprimir satisfactoriamente con la boquilla de mayor tamaño.

• Partículas Fosforescentes: En general es posible imprimirlos con boquillas de 0.4 mm.

• Partículas con cargas metálicas o cerámicas: Suele existir bastante variabilidad de un material a otro e incluso entre el mismo material de varios proveedores diferentes. Si el fabricante no especifica un tamaño mínimo, es recomendable comenzar siempre con una boquilla de 0.6 mm y probar a usar una de 0.4 mm cuando ya se haya conseguido imprimir satisfactoriamente con la boquilla de mayor tamaño. En algunos materiales concretos puede ser necesario emplear boquillas de 0.8 mm.

Imagen 3: Boquillas de diferentes diámetros. Fuente: E3D

Uso de boquillas endurecidas y desgaste de componentes.

Se debe tener en cuenta que todos los filamentos con cargas producen un mayor desgaste en los componentes del hotend y el extrusor, especialmente en la boquilla, el heatbreak, las ruedas del extrusor y los tubos o insertos de PTFE.

Algunos filamentos son especialmente abrasivos, como los filamentos de fibra de carbono, aramida y vidrio o partículas metálicas, cerámicas y fosforescentes. Cuando se usen estos filamentos es recomendable emplear boquillas endurecidas.

Imágen 4: Comparativa de desgaste de boquillas de diferentes materiales. Fuente: 3DVerkstan

En el caso de emplear habitualmente este tipo de filamentos abrasivos, es recomendable emplear, además de boquillas endurecidas, heatbreaks de materiales más resistentes como el titanio y extrusores con ruedas de acero endurecido. Además deberá revisarse periódicamente el estado de estos componentes, junto con el de los tubos e insertos de PTFE, y sustituirlos cuando presenten signos de desgaste.

Velocidad y temperatura de impresión

Los filamentos reforzados con cargas presentan una mayor viscosidad que su equivalente sin cargas, por lo que es recomendable emplear velocidades máximas de impresión menores. También puede ser necesario emplear temperaturas de impresión ligeramente superiores para reducir la viscosidad cuando se emplean velocidades de impresión elevadas.

Adherencia a la base y warping

Los filamentos con cargas generalmente sufren una menor contracción durante el enfriamiento, lo que los hace menos propensos al warping. Cuanto mayor sea la proporción de fibras o partículas menor será la contracción.

Por otro lado, las cargas también suelen tener efecto en la adherencia del material a la base de impresión, reduciéndose ligeramente. Es recomendable emplear soluciones de adherencia como adhesivos o lacas cuando se usen este tipo de filamentos, especialmente aquellos con un elevado porcentaje de carga.

Fragilidad de los filamentos

Una característica general de los filamentos cargados con partículas es su mayor fragilidad, especialmente los que poseen altos porcentajes de carga o que están basados en PLA. Es por esto que es muy importante posicionar adecuadamente la bobina, de forma que el recorrido hasta el extrusor sea lo más recto y corto posible. Además es aconsejable el uso de extrusores directos, aunque algunos de estos filamentos pueden ser impresos también en impresoras bowden. En este último caso es recomendable posicionar los tubos de PTFE de forma que tengan el mayor radio de curvatura posible, así como posicionar las piezas en la parte frontal de la base de impresión.

Imagen 5: Portabobinas colocado directamente sobre el extrusor para alimentar de forma recta el filamento. Fuente: Raise3D

Los filamentos con cargas son una categoría especial que engloba materiales muy diversos, y que generalmente requieren configuraciones especiales de impresión. Es por esto que se recomienda siempre consultar toda la información facilitada por el fabricante y seguir sus consejos de impresión.

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.