Los plásticos se encuentran en todos los ámbitos de la vida, como envases, automóviles, textiles, herramientas, juguetes, multimedia, etc.
La ventaja de los plásticos es que sus propiedades técnicas, como la elasticidad, la dureza, la resistencia a la temperatura y a los productos químicos, pueden modificarse de muchas maneras utilizando distintas materias primas, procesos de fabricación y aditivos.
Los más utilizados polímeros son el polietileno (PE), el polipropileno (PP) cloruro de polivinilo (PVC), poliestireno (PS)poliuretano (PUR) y tereftalato de polietileno (PET).
Proceso de impresión 3D de polímeros
El moldeo por inyección, a menudo denominado también moldeo por inyección o proceso de moldeo por inyección, que se basa en el moldeo primario. En este proceso, la máquina de moldeo por inyección licua el plástico, que está en forma de gránulos, y lo inyecta a presión en el molde correspondiente. En este molde, el material se enfría y vuelve a su estado sólido. A continuación, el objeto acabado puede desmoldarse y, si es necesario, reelaborarse. La ventaja de este proceso es que los moldes originales se pueden reutilizar y se pueden producir volúmenes muy elevados de forma rápida y rentable.
Sin embargo, cada vez se utiliza más la fabricación aditiva para producir piezas de plástico. La ventaja es que las impresoras 3D son mucho más pequeñas que las máquinas de moldeo por inyección, no hay necesidad de fabricar y sustituir moldes maestros y no se necesitan herramientas especiales. La fabricación aditiva es especialmente útil para producir piezas en pequeñas cantidades o con una geometría más compleja. En consecuencia, los procesos de impresión son excelentes para fabricar prototipos y modelos o herramientas especiales.
Entretanto, las impresoras 3D han alcanzado la madurez productiva y también pueden utilizarse de forma relativamente económica para uso privado. Esto significa, por tanto, que la fabricación aditiva de piezas de plástico se utiliza en muchísimos ámbitos, como la industria, la investigación, la construcción, el arte, la industria y también en el hogar.
Modelado por deposición fundida (FDM)/Fabricación por filamento fundido (FFF)
Entre los procesos de impresión 3D de polímeros más utilizados está la extrusión de material, como el modelado por deposición fundida (FDM) o la fabricación de filamento fundido (FFF). En este proceso, se funde un filamento de un material termoplástico sólido forzándolo a través de una matriz extrusora calentada. A continuación, el material se coloca en el lecho de impresión siguiendo la trayectoria especificada por el modelo, sobre la que el filamento se enfría para formar una capa. Este proceso se repite capa a capa hasta que el componente está completamente fabricado. Los filamentos termoplásticos suelen ser de PLA, ABS, PET o PETG.
Fotopolimerización
Otro proceso habitual es la fotopolimerización en baño (fotopolimerización en cuba), en la que una fuente de luz cura selectivamente una resina fotopolimérica en un tanque. Este método incluye la estereolitografía (SLA) y el procesamiento digital de la luz (DLP). La principal diferencia entre ambos es la fuente de luz: la SLA utiliza puntos láser y el DLP, un proyector de luz.
Hay otros procesos que pueden considerarse para la fabricación aditiva de plásticos, como la fusión en lecho de polvo, que incluye el sinterizado selectivo por láser (SLS).
En este proceso, una fuente de energía térmica (láser) funde las partículas de polvo en la zona de construcción y, a continuación, se aplica una nueva capa de polvo y se repite el proceso. Una ventaja es que el polvo no utilizado alrededor del componente sostiene la estructura y puede reutilizarse. Aquí se utiliza polvo termoplástico, como el nailon.
En el chorro libre de material, se suelen utilizar fotopolímeros o ceras. La impresora deposita selectivamente gotitas de material en el lecho de impresión o en la capa anterior, que luego se endurecen. En este proceso, también se pueden utilizar distintos materiales simultáneamente para el mismo objeto. Esto es especialmente ventajoso para componentes complejos que requieren una estructura de soporte.
Dependiendo de los requisitos de los componentes que se vayan a imprimir, se pueden considerar varios polímeros, que difieren en sus propiedades ópticas, mecánicas y térmicas, así como en el grado de dificultad de la impresión.
Los materiales más utilizados para la impresión 3D son el PLA (ácido poliláctico), un plástico biodegradable fabricado a partir de derivados del almidón de maíz que es fácil de imprimir, y el ABS (acrilonitrilo butadieno estireno), basado en el petróleo.
Este último es muy robusto y duradero y se utiliza, por ejemplo, para interiores de vehículos o para juguetes.
Además, también se utilizan PET, PETG (PET combinado con glicol), nailon, polipropileno (PP) o incluso PMMA (también conocido como vidrio acrílico, plexiglás).
Estos materiales pueden modificarse en su aspecto y propiedades con aditivos como metales, cerámica, carbono o madera, de modo que, por ejemplo, pueden desarrollarse filamentos conductores de la electricidad o magnéticos para la impresión 3D para aplicaciones especiales.
Otro grupo de polímeros utilizados son los fotopolímeros, o resinas, que se curan capa a capa mediante luz ultravioleta.
Entre los problemas de impresión se encuentran la obstrucción de las glándulas del extrusor, las grietas, el alabeo o la deformación de la pieza, y los problemas de adherencia entre capas.
Para evitarlos, es importante conocer las propiedades del material que se va a utilizar.
En particular, son relevantes la temperatura de transición vítrea y la temperatura de fusión.
La temperatura del lecho de impresión debe ser inferior a la temperatura de transición vítrea para no perturbar el proceso de impresión.
La temperatura de extrusión debe estar muy por encima del punto de fusión para que el polímero sea líquido y se pueda garantizar una impresión correcta.
Estudiar las propiedades térmicas es un paso inevitable para ajustar la configuración de la impresión 3D y evitar errores y problemas.
Por ejemplo, el punto vítreo y el punto de fusión y cristalización pueden determinarse con el Calorímetro Diferencial de Barrido (DSC).
El análisis con un dilatómetro (DIL) también es útil en este caso, ya que tanto el punto vítreo como el coeficiente de expansión térmica (CTE) y se puede estudiar la deformación durante el calentamiento y el enfriamiento.
Además, es importante registrar las propiedades térmicas y mecánicas del componente acabado, ya que pueden diferir significativamente de las de la materia prima.
En particular, la conductividad térmica de un cuerpo impreso en 3D puede diferir significativamente de una pieza fabricada convencionalmente debido a la estructura en capas, que introduce resistencias de contacto térmico adicionales, y a la introducción de cavidades.
El método del destello láser (LFA)el Puente caliente transitorio (THB) y el Probador de Materiales de Interfaz Térmica (TIM) son adecuados para este análisis.
