Cómo elegir el material de impresión 3D apropiado

¿Qué significan términos como "una resiliencia IZOD entallada de 14 J/m", "poscurado" y "ASTM D256-10"? ¿Cuál es la diferencia entre resistencia y módulo? ¿Qué relación tienen con los materiales comunes que nos encontramos a diario y por qué es importante para ti?

Las propiedades de los materiales, como sus características químicas, ópticas, mecánicas, térmicas o eléctricas, reflejan cómo se comportará un material en determinadas condiciones. Al ser factores cuantitativos, estos atributos te permiten evaluar las ventajas de un material respecto a otro para un caso de uso específico.

Aquí describiremos cuáles son las propiedades mecánicas y térmicas más utilizadas, su importancia para aplicaciones específicas y cómo se comportan los materiales de impresión 3D respecto a los plásticos fabricados con métodos tradicionales para ayudarte a tomar las decisiones adecuadas respecto a los materiales.

Las propiedades mecánicas y térmicas más comunes

La forma más fiable de medir las propiedades de los materiales es usar métodos de ensayo normalizados. Muchos de esos métodos han sido documentados por sus respectivas comunidades de usuarios y se han publicado mediante ASTM International. Por supuesto, las medidas y datos exactos de tus piezas dependen de sus diseños, pero comparar los ensayos normalizados te dará una indicación de cómo se comportará tu pieza cuando se fabrica a partir de materiales diferentes y mediante métodos diferentes.

Lo más probable es que te encuentres con estas mediciones y normas en las fichas de datos de los materiales. He aquí un ejemplo de una de las propiedades de la Clear Resin de Formlabs como material:

Resistencia a la tracción: Propiedad del material
38 MPa 
Sin poscurar/Poscurado Propiedad del material antes y después del curado, específica del proceso de estereolitografía (SLA). Infórmate sobre el curado.
ASTM D 256-10: Identificador del método normalizado. En un mundo ideal, encontrarás materiales similares sometidos a ensayo con el mismo método, pero no hay ninguna forma buena de comparar un avión a control remoto con una Boeing 747.

Ahora que tenemos una idea clara de las nociones básicas, examinaremos cada propiedad de los materiales con detalle y hablaremos de referencias para materiales realizados con métodos de fabricación tradicionales, así como las tecnologías de impresión 3D , como el modelado por deposición fundida (FDM), la estereolitografía (SLA) y el sinterizado selectivo por láser (SLS).

Resistencia a la tracción

Una de las propiedades más fundamentales de los materiales es la resistencia a la tracción, que es la resistencia de un material a romperse al verse sometido a tensión. Es una de las primeras propiedades de los materiales que examinan los ingenieros y se encuentra al principio de la mayoría de las fichas de datos de los materiales. Junto con una ductilidad suficiente, la resistencia a la tracción también indica la tenacidad de un material. Algunos materiales se rompen muy bruscamente con una rotura frágil, mientras que otros más dúctiles, como la mayoría de los plásticos y los metales, sufren alguna deformación. Para entender claramente este comportamiento, los datos de resistencia a la tracción se suelen complementar con una curva esfuerzo-deformación.

Los materiales de gran resistencia a la tracción se suelen encontrar en componentes estructurales, mecánicos o estáticos donde la rotura es inaceptable, como en los de la construcción, el sector automovilístico y la aviación, así como en cables, cuerdas, chalecos antibalas, etc. Hoy en día, la impresión 3D ha avanzado tanto que es capaz de ofrecer una resistencia a la tracción igual o incluso mayor que la de los plásticos moldeados por inyección tradicionales, como el polipropileno y el acrilonitrilo butadieno estireno (ABS).

Resistencia a la tracción de los materiales tradicionales y los materiales impresos en 3D, medida en MPa:

Módulo de Young

El módulo de Young o módulo elástico es una medida de la rigidez de un material al verse sometido a una carga de tracción. Cuanto mayor es el módulo de Young, más rígido es el material. En la parte alta de la escala, el módulo de Young cuantifica la fidelidad de un material a su forma bajo carga, lo que la convierte en una de las primeras propiedades que deberías examinar a la hora de elegir materiales para cualquier pieza mecánica o estructural que soporte cargas y de la que se espera que permanezca dentro de sus especificaciones geométricas cuando esté sometida a carga.

Por otro lado, un módulo de Young bajo indica que un material es elástico. Por lo tanto, en la parte inferior de la escala, el módulo de Yang permite conocer la elasticidad de un material blando y flexible.

El módulo de Young de los materiales tradicionales y los materiales impresos en 3D, medido en GPa:

*En función del eje

Alargamiento

El punto hasta el que se alarga un material justo al momento de romperse se llama alargamiento. Se define como la razón de la extensión respecto a la longitud inicial sin carga y expresa la capacidad que tiene el material de resistir cambios de forma sin que se formen grietas. Los materiales rígidos, como los plásticos duros y frágiles, suelen tener un alargamiento de rotura bajo, mientras que algunos materiales blandos y elásticos pueden estirarse hasta alcanzar varias veces su propia longitud antes de romperse.

Cuando debas elegir un material flexible para una aplicación específica, el alargamiento te dirá cuánto puede estirarse. El alargamiento también es importante en la construcción y en la arquitectura, donde las estructuras deberían deformarse perceptiblemente en vez de colapsar inmediatamente. De darse, el alargamiento se puede deducir de la resistencia a la tracción y el módulo de tracción, por lo que es una medida parcialmente redundante.

Alargamiento de los materiales tradicionales e impresos en 3D, medidos en porcentaje:

Resistencia a la flexión

De forma similar a la resistencia a la tracción, la resistencia a la flexión describe la resistencia que tiene un material a romperse bajo carga. La diferencia está en el tipo de la carga, que está en modo de flexión para la resistencia a la flexión y por lo tanto refleja tanto la resistencia a la compresión como la resistencia a la tracción de un material.

En la mayoría de los plásticos, la resistencia a la flexión y la resistencia a la tracción se alinean de forma muy cercana. De hecho, si un material es isotrópico (homogéneo), su resistencia a la flexión es la misma que su resistencia a la tracción. Debido a los fuertes enlaces químicos que hay en las impresiones 3D, las piezas de SLA son isotrópicas. Esto representa una gran ventaja en comparación con otras tecnologías de impresión 3D, ya que las piezas tienen una resistencia comparable independientemente de la orientación.

Resistencia a la flexión de los materiales tradicionales y los materiales impresos en 3D, medida en MPa:

*En función del eje

Módulo de flexión

El módulo de flexión es una medida de la rigidez de un material en la dirección de flexión. Un módulo de flexión elevado indica un material más rígido, mientras que los materiales elásticos tendrán un módulo de flexión más bajo. Igual que la resistencia a la tracción y la flexión, el módulo de tracción y el módulo de flexión están muy relacionados y no suele haber una gran diferencia entre ellos.

El módulo de flexión es una medida importante para aplicaciones como los muelles de acero (especialmente los muelles de ballesta), así como las vigas de soporte u otras piezas estructurales.

El módulo de flexión de los materiales tradicionales y los materiales impresos en 3D, medido en GPa:

*En función del eje

Resistencia al impacto (IZOD)

Los materiales pueden responder de forma diferente a las cargas estáticas y a los impactos repentinos. La capacidad de absorber esta energía súbita durante la deformación de los plásticos es la tenacidad del material. Se define como la cantidad de energía que un material puede absorber de un impacto o choque repentino sin romperse y los ensayos de impacto son un buen indicador de la tenacidad. Los materiales frágiles tienen una tenacidad baja como resultado del pequeño grado de deformación del plástico que pueden soportar. En general, la energía de impacto que un material puede absorber disminuye también a temperaturas más bajas.

La resistencia al impacto es un factor importante en muchas aplicaciones, como carcasas, pantallas de protección y gafas de seguridad. El ensayo de impacto IZOD y el ensayo de resiliencia Charpy son dos pruebas comunes de resistencia a los impactos que solo varían en el modo en que se miden. El primero de estos ensayos es el normalizado por la ASTM.

Resistencia al impacto (IZOD) de los materiales tradicionales y los materiales impresos en 3D, medida en J/m:

 

Dureza por penetración (Shore)

La dureza se define como la resistencia de un material a que su forma cambie permanentemente cuando se le aplica una fuerza de compresión. En la práctica, la dureza es sinónimo de la resistencia a ser rayado, así como la resistencia a la penetración y a la deformación elástica. Aunque parezca contradictorio, la dureza y la tenacidad se excluyen mutuamente. Los materiales duros son frágiles por naturaleza, mientras que la tenacidad requiere que un material presente cierta ductilidad.

Aunque una dureza baja indica por lo general un material blando, la anterior definición de la dureza se vuelve cada vez menos práctica cuanto más blando sea el material que se somete a ensayo. Aquí es donde actúa la dureza Shore, un método de ensayo y una definición dedicados a medir la dureza (o blandura) de materiales blandos, flexibles y elásticos, como la goma, los elastómeros y algunos polímeros.

En la práctica, la dureza Shore se usa a menudo para identificar materiales adecuados para superficies de tacto blando, como un asa de agarre, o la goma adecuada para una junta concreta. La dureza Shore también es una medida importante para los rodillos y las ruedas sólidas. Una dureza Shore alta indica un material más duro y menos flexible, mientras que un valor inferior indica un material más blando.

Si una ficha de datos no menciona un valor para la dureza, un bajo módulo de tracción también puede ser un buen indicador de un material elástico y blando. La norma de ensayo de la ASTM exige un total de 12 escalas, siendo la A la más común para los plásticos blandos y la D para los plásticos duros.

La dureza por penetración de los materiales tradicionales e impresos en 3D, medidos en la escala Shore A:

*En función del curado

**En función de la composición de la materia prima

Deformación permanente por compresión

La deformación permanente por compresión es el término que se suele usar para describir la deformación que queda permanentemente en un material blando, como un elastómero, después de dejar de ejercer una fuerza de compresión sobre él.

Los materiales con una gran deformación permanente por compresión no son adecuados para aplicaciones en las que se espera que una pieza vuelva rápidamente a su forma original tras dejar de ejercer una fuerza de compresión sobre ella, como en el caso de los muelles. Es posible que una gran deformación permanente por compresión sea deseable para amortiguadores o juntas.

Deformación permanente por compresión de los materiales tradicionales e impresos en 3D, medidos en porcentaje:

*En función de la composición de la materia prima

Resistencia al desgarro

La resistencia al desgarro describe la resistencia de un material a desarrollar cortes y a que estos se propaguen por él cuando se ve sometido a carga. Los materiales con una baja resistencia al desgarro tienden a tener una mala resistencia a la abrasión y fallarán rápidamente si sufren daños.

La resistencia al desgarro es un factor importante a la hora de elegir materiales flexibles como la goma o textiles para aplicaciones de gran tracción. Los materiales que se usan para membranas tensionadas, tambores o velas de barco, elásticos y cuerdas de puenting deben resistir los desgarros incluso después de sufrir daños iniciales, por lo que requieren una resistencia al desgarro muy elevada.

Resistencia al desgarro de los materiales tradicionales y los materiales impresos en 3D, medida en kN/M:

*En función del curado

**En función de la composición de la materia prima

Absorción de agua

Los plásticos absorben una cierta cantidad de agua del aire húmedo o cuando están sumergidos en agua. Aunque algunos plásticos son más higroscópicos que otros, en los productos de plásticos finales esta minúscula absorción de agua raramente es relevante. Sin embargo, sí que tiene un papel importante en el procesamiento de las materias primas y en la resistencia al calor de las piezas de plástico.

Cuando se calienta por encima de un determinado umbral de temperatura (que suele ser de en torno a 150 - 160 °C) y en presencia de humedad, muchos termoplásticos pasan por una reacción química llamada hidrólisis, que descompone cadenas de moléculas largas en otras más cortas y debilita el material. Si un termoplástico con una absorción de agua elevada se expone a la humedad antes de la impresión 3D o el moldeo por inyección, la hidrólisis tiene lugar durante el proceso y genera propiedades deficientes en el material de la pieza final. Por consiguiente, las materias primas termoplásticas con una gran absorción de agua deben almacenarse en un entorno seco.

Aunque los plásticos moldeados por inyección son termoplásticos, las resinas fotopolimerizables para SLS son materiales termoendurecibles , es decir, se curan con una fuente de luz en vez de fundirse y moldearse para darles forma y permanecen en un estado sólido permanente después del curado. Por lo tanto, no son susceptibles a los efectos negativos de la hidrólisis.

Absorción de agua de los materiales tradicionales e impresos en 3D, medidos en porcentaje:

 

Temperatura de flexión bajo carga

Las propiedades de los materiales, especialmente los módulos de tracción y de flexión, están ligadas a las condiciones ambientales normalizadas en las que se han registrado los resultados de sus ensayos. Condiciones ambientales diferentes, como una temperatura ambiente distinta, puede provocar un cambio drástico en el comportamiento de un material bajo carga. La temperatura de flexión bajo carga es la temperatura a la que un material empieza a deformarse bajo una carga específica.

Una alta temperatura de flexión bajo carga es deseable para aplicaciones de alta temperatura como carcasas y monturas para elementos de calefacción, así como para componentes que están en contacto con líquidos o gases calientes, como el utillaje para moldes de inyección, conectores hidráulicos, válvulas y boquillas.

Temperatura de flexión bajo carga de los materiales tradicionales e impresos en 3D, medidos en °C a 0,45 MPa:

 

Temperatura de reblandecimiento VICAT

A diferencia de otros materiales, los plásticos no alcanzan su punto de fusión de forma brusca. La temperatura de reblandecimiento VICAT actúa como una definición alternativa del punto en el que un material empieza a fluir y llena este intervalo en el caso de los plásticos y los termoplásticos. Al igual que la temperatura de flexión bajo carga, la temperatura de reblandecimiento VICAT expresa el cambio de las propiedades mecánicas de un material bajo la influencia del calor. Marca un punto de temperatura en el que una aguja normalizada penetra en una muestra de ensayo una longitud dada, con una carga específica aplicada.

Se utiliza comúnmente para determinar el límite de temperatura máximo para el uso continuo de un material en una aplicación a una temperatura de funcionamiento elevada, que por regla general, debería ser 15 °C por debajo de la temperatura de reblandecimiento VICAT.

Temperatura de reblandecimiento VICAT de los materiales tradicionales e impresos en 3D, medida en °C:

Coeficiente de expansión térmica

Los materiales tienden a contraerse, expandirse o cambiar de forma de otras maneras dependiendo de su temperatura. Este fenómeno se utiliza en los accionadores térmicos, los sensores térmicos e incluso en músculos artificiales, pero en la mayoría de los casos es un efecto secundario no deseado y se deben dedicar esfuerzos a mitigarlo. El coeficiente de expansión térmica es un indicador útil para predecir y cuantificar cómo un material cambia de forma en respuesta a los cambios de temperatura. Un coeficiente de expansión positivo indica que el material se expande al subir la temperatura, mientras que un número negativo indica que se contrae.

Cuando se trabaja con termoplásticos, sea con el moldeo por inyección o la impresión 3D, la expansión térmica del material se debe tener en cuenta para obtener la forma deseada después de que la pieza se haya enfriado. Para evitar fenómenos térmicos como la contracción circular, el rizado o la deformación, que son limitaciones importantes si se quiere obtener precisión geométrica mediante tecnologías de impresión 3D como el SLS y el FDM, es aconsejable tener en cuenta el coeficiente de expansión térmica a la hora de elegir el material.

Las tecnologías de impresión 3D con materiales termoendurecibles, como la SLA, no suelen sufrir distorsiones térmicas, lo que las convierte en una elección excelente para las piezas que requieren la máxima precisión y fidelidad a la forma posibles.

Coeficiente de expansión térmica de los materiales tradicionales e impresos en 3D, medidos en µm/m/°C:

Propiedades de los materiales en la impresión 3D por estereolitografía (SLA)

Para entender las propiedades de los materiales, debemos empezar por el proceso de estereolitografía y su materia prima, la resina. Los plásticos se componen de cadenas largas de carbono, mientras que la resina es un plástico compuesto por cadenas (más) cortas. Tiene todos los componentes del plástico final, pero no se ha polimerizado completamente aún. Cuando la resina se ve expuesta a la luz, los fotoiniciadores unen las cadenas para crear cadenas más largas y rígidas, que dan lugar a objetos sólidos.

Esta tecnología otorga una libertad única para crear varias formulaciones. Las distintas resinas están compuestas por diferentes cadenas principales y cadenas laterales: diferentes combinaciones de monómeros largos y cortos, así como aditivos. Los resultados son plásticos con una amplia gama de características: transparentes, opacos o coloreados; flexibles o rígidos; tenaces o resistentes al calor.

Comparación de las resinas de Formlabs

Las resinas de Formlabs se han diseñado para simular diversos plásticos moldeados por inyección y cubren todo el espectro de las propiedades necesarias para conceptualizar, crear prototipos, someter a ensayo y fabricar productos finales satisfactorios.

Las resinas estándar ofrecen una alta resolución y detalles precisos recién salidas de la impresora, lo que las hace ideales para la creación rápida de prototipos y el desarrollo de productos.

La Tough 2000 Resin se diseñó para simular el ABS, y su resistencia a la tracción y su módulo similares a los de ese plástico hace que sea ideal para crear prototipos de piezas funcionales, como carcasas, articulaciones mediante presilla y ensamblajes. Gracias a su gran alargamiento y resistencia a los impactos, se trata de la resina más tenaz.

La Durable Resin simula el polipropileno, por lo que contar con un módulo bajo y una alta resistencia a los impactos comparables a las de él la convierten en una buena opción para crear prototipos de productos de consumo, embalajes o piezas móviles de baja fricción y desgaste.

La High Temp Resin ofrece una temperatura de flexión bajo carga de 238 °C a 0,45 MPa, la más alta entre las resinas en el mercado de los materiales de impresión 3D. Es ideal para aplicaciones estáticas que deben soportar altas temperaturas, como el moldeo por inyección y el termoformado.

La Flexible 80A Resin simula una goma de dureza Shore 80A excelente para imitar materiales de tacto blando y añadir características ergonómicas a ensamblajes de varios materiales.

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