Materiales de alto rendimiento para impresión 3D

3d printing Scalmalloy

Los materiales de alto rendimiento para impresión 3D son materiales que tienen propiedades mecánicas únicas que los hacen ideales para aplicaciones de uso especial de alta calidad.

Polímeros como silicona, TPE, TPU y PEEK, metales como tungsteno, cobre y Scalmalloy y cerámicas técnicas o de ingeniería como alúmina, zirconia y sílice son algunos de nuestros materiales de alto rendimiento para impresión 3D.

Todos estos destacan por sus propiedades excepcionales, ya sea resistencia al calor extremo, dureza increíble, biocompatibilidad o cualidades similares al caucho.

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Polímeros de alto rendimiento para impresión 3D

Los polímeros de alto rendimiento son un grupo de materiales plásticos que tienen mejores propiedades mecánicas o térmicas que los plásticos más utilizados como el Nylon, PS, PP, PE, PET, etc. Aunque de ninguna manera es una lista definitiva, destacamos tres interesantes materiales poliméricos de alto rendimiento: PEEK, TPE-TPU y Silicona.

PEEK

PEEK (polieteretercetona) es un termoplástico de alto rendimiento muy fuerte, resistente al calor e ignífugo que se puede utilizar como un sustituto ligero del metal. Las piezas de PEEK pueden ser hasta un 70% más ligeras que las piezas de metal.

Se utiliza en la industria aeroespacial, automotriz, energética, electrónica y médica para la fabricación de anillos, tapas y estuches. PEEK biocompatible está disponible para aplicaciones médicas como implantes.


PEEK pertenece a la familia de polímeros de las policetonas (PAEK). Sin embargo, el PEEK puede ser un material bastante caro y normalmente se utiliza para la producción de piezas finales. PEEK de alto rendimiento para impresión 3D está disponible como filamento para FDM y polvo para SLS.
Si buscas un material alternativo más económico con características algo similares echa un vistazo a PEI (ULTEM).

TPE y TPU

El TPE y el TPU son elastómeros termoplásticos con características similares al caucho.

El TPU (poliuretano termoplástico) es un tipo de elastómero termoplástico (TPE) y está disponible en grados de dureza más altos para lograr piezas que van desde más blandas (similares al caucho) hasta más duras (plástico rígido).
Los elastómeros termoplásticos se utilizan para fabricar estuches, tapas, paneles, y suelas para calzado por ejemplo. Fueron inventados en la década de 1950 y solo recientemente ambos se han hecho disponibles para impresiones en 3D en la industria de fabricación aditiva.

Silicona

La silicona es un material versátil ampliamente utilizado y la industria de fabricación aditiva esperó durante mucho tiempo a que este material estuviera disponible para impresión en 3D. La silicona es un polímero termoestable y muy complicado de imprimir con los procesos de impresión existentes, ya que todos implican calentar y moldear el material fundido.

Esto cambió en 2018 cuando se inventó un proceso que permitía imprimir con siliconas reales: DOD o drop on demand, y así la impresión en 3D de silicona ahora es posible. De momento, solo se pueden imprimir piezas relativamente pequeñas en silicona, pero impresoras 3D más grandes con estas capacidades no están muy lejos.

La silicona es biocompatible y se usa ampliamente para aplicaciones médicas, pero también se utiliza en otras industrias.

La impresión con silicona es bastante costosa. Una alternativa más económica es TPE, especialmente para series de gran volumen.

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Metales de alto rendimiento para impresión 3D

El otro grupo de materiales principalmente utilizado en la industria de fabricación aditiva son los metales. Los metales se imprimen principalmente mediante fusión selectiva por láser (SLM) y sinterización directa por láser de metales (DMLS), pero también existen filamentos metálicos para máquinas FDM. Los polvos metálicos están disponibles para los metales más utilizados como acero inoxidable, acero para herramientas, aluminio, titanio, níquel, cobalto y aleaciones de cromo. Algunos metales resultaron más difíciles de imprimir en 3D al comienzo, en particular el cobre y el tungsteno. Coincidentemente, queremos abordar dos metales junto con un metal especialmente desarrollado para impresión 3D llamado Scalmalloy.

Cobre para FDM y SLM

El cobre es un material popular venerado por su gran conductividad térmica y eléctrica.

Los filamentos de cobre para máquinas FDM ya han estado en el mercado durante algún tiempo, pero SLM es el método favorito para imprimir metales, uno podría asumir que el polvo de cobre estaría disponible para la impresión 3D. Sin embargo, fueron exactamente las propiedades únicas del cobre las que lo hicieron inadecuado para la sinterización por láser, porque el cobre no absorbe el láser tan bien como otros metales.

Los investigadores necesitaban desarrollar nuevas técnicas para hacer posible la impresión 3D con cobre. El año 2017 vio un gran avance: los polvos de cobre se sinterizaron utilizando un láser verde (que es mejor absorbido por el polvo de cobre) y agregando un ciclo de precalentamiento al proceso para evitar la fractura del mismo. El resultado es que ahora es posible imprimir piezas de cobre de alta calidad en 3D.

Además, en 2020 se desarrolló un filamento de cobre puro (99,8% de Cu en peso) para máquinas de impresión 3D de metal industrial FDM, lo que convierte a FDM en una opción también para la impresión industrial de cobre.

3D printing copper

Impresión 3D en cobre

Tradicionalmente, el cobre era un material muy popular debido a su conductividad térmica y eléctrica. Los desarrollos recientes han abierto nuevas posibilidades en la fabricación

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Tungsteno y otros metales refractarios

El tungsteno es uno de los cinco metales refractarios, siendo el molibdeno, tantalio, renio y niobio el resto de este grupo. Los metales refractarios son metales extremadamente resistentes a altas temperaturas los cuales pueden soportar temperaturas de más de 4000 ° C.

Son difíciles de manufacturar incluso con métodos de fabricación tradicionales, pero son muy útiles para aplicaciones que necesitan una gran resistencia al calor y o a impactos.

El carburo de tungsteno, un compuesto de tungsteno, clasificado como cerámico, es extremadamente duro y resistente al calor, se utiliza en la industria aeroespacial y también en defensa, entre otras aplicaciones. Estas aplicaciones incluyen boquillas para motores de cohetes, armamento (para penetrar superficies duras), álabes de turbinas para aviones (resistentes al calor) y herramientas más pequeñas como hojas de sierra, brocas, cojinetes, pistones y equipos de soldadura.


El tungsteno también se utiliza en el campo médico debido a sus propiedades protectoras contra la radiación. La industria médica utiliza el tungsteno puro para resonancias magnéticas, colimadores y protección contra radiación.

Otros metales refractarios

Del resto de metales refractarios, el molibdeno es el más utilizado porque es el más barato. El molibdeno se utiliza en aleaciones para reforzar aceros, como el acero inoxidable. El tantalio es conocido por su resistencia a la corrosión y se puede utilizar para hacer implantes ortopédicos. Tiene una puntuación más alta que el titanio tanto en citocompatibilidad (= no es dañino para las células) como en biocompatibilidad. El renio es el más raro y, por tanto, el más caro de los metales refractarios. Las aleaciones de renio se utilizan en componentes electrónicos. El niobio tiene potencia en la industria aeroespacial (para boquillas de cohetes) y la energética. Los metales refractarios son una porción del mercado de los polvos metálicos.

Scalmalloy

El Scalmalloy es un metal para impresión 3D patentado, de alto rendimiento hecho de escandio (SC), aluminio (AL) y una aleación de magnesio (M) (ALLOY).

Desarrollado inicialmente por y para la industria aeroespacial, también promete en otros campos. El Scalmalloy ya se utiliza en la industria automotriz (intercambiadores de calor), en robótica (colectores hidráulicos) y en deportes de motor (soportes).

Es un material liviano, fuerte y tiene una alta ductilidad para su uso en la industria aeroespacial, entre otras. En comparación con el aluminio tradicional (AlSi10Mg), el Scalmalloy es mucho más fuerte (más fuerte que el titanio), debido a la adición de escandio. Las piezas impresas en 3D con Scalmalloy son ligeras, resistentes a la corrosión y con una alta ductilidad

Cerámica de alto rendimiento para impresión 3D

El tercer grupo que queremos considerar son las cerámicas de alto rendimiento o las cerámicas técnicas o de ingeniería. Estas cerámicas se han optimizado para aplicaciones industriales. Las cerámicas de ingeniería son rígidas, resistentes al calor, presentan baja conductividad térmica, tienen buenas propiedades de aislamiento eléctrico, son resistentes a la fractura y son biocompatibles.

Sin embargo, estas cerámicas son notablemente difíciles de moldear utilizando tecnologías de fabricación convencionales, lo que otorga a la fabricación aditiva una ventaja adicional para trabajar con estos materiales.

Estas características permiten que la cerámica sea utilizada en diversas áreas de aplicación y ramas de la industria.

En los deportes de motor, la cerámica se utiliza para discos de freno, cojinetes y colectores de escape.

En el campo médico, las cerámicas se utilizan para implantes y componentes endoscópicos. La industria energética utiliza componentes cerámicos por sus grandes propiedades aislantes tanto térmicas como eléctricas. Encontrará cerámica en pilas de combustible, en accesorios de válvulas y cuerpos de bobinas. Las cerámicas también son ideales para herramientas de corte o para componentes láser. A la industria aeroespacial le gusta la cerámica por su peso relativamente bajo en comparación con los metales.

Ceramic high performance material for 3D printing

Materiales de alto rendimiento para impresión 3D: cerámica técnica

Alúmina, Zirconia, Sílice y otras cerámicas

Las cerámicas más conocidas son la alúmina, la zirconia y el sílice. La alúmina (óxido de aluminio) es la más utilizada porque es la más barata. La zirconia (dióxido de circonio) se utiliza en la industria dental (para hacer implantes de dientes) pero también en la industria aeroespacial y la nuclear. Las cerámicas con base de sílice como el carburo de silicio, son los materiales cerámicos más duros (con una dureza comparable a la del diamante). También son de interés cerámicas de alto rendimiento sin óxido como el nitruro de silicio, el carburo de silicio, el carburo de boro y el nitruro de aluminio y otros compuestos de aleaciones de metal y cerámica. Los modelos cerámicos se fabrican con tecnología SLS o Binder Jetting con polvos cerámicos.

Futuros materiales de alto rendimiento para impresión 3D

Como mencionamos en la introducción, esta no es de ninguna manera una lista definitiva de todos los materiales de alto rendimiento para impresión 3D. A medida que evolucione la industria de fabricación aditiva, se desarrollarán nuevos materiales. Los compuestos como el grafeno, los materiales biológicos y nanométricos e incluso los llamados materiales 4D, que cambian de forma con el tiempo, por ejemplo, los materiales con memoria de forma, son nuevos materiales que prometen una gran variedad de aplicaciones.

Conclusión

Los materiales de alto rendimiento para la impresión 3D son una categoría interesante de materiales en el campo de la fabricación aditiva. Estos materiales destacan por sus propiedades excepcionales, desde la resistencia al calor, su increíble dureza, hasta la biocompatibilidad o sus cualidades excepcionales similares al caucho. Estos materiales generalmente no son baratos, son materiales de alta calidad destinados a aplicaciones avanzadas de uso final. Todos los materiales mencionados están disponibles en Beamler. La lista no es exhaustiva ni definitiva porqué se están desarrollando una gama de nuevos materiales a medida que evoluciona la industria de fabricación aditiva.

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