El sinterizado selectivo por láser (SLS) es una destacada tecnología de impresión 3D que utiliza un láser para sinterizar material en polvo, construyendo piezas capa a capa. El SLS es especialmente apreciado por su capacidad de producir piezas resistentes y funcionales con diseños complicados, lo que lo hace ideal para aplicaciones de uso final en diversos sectores.

A medida que la impresión 3D SLS se utiliza cada vez más para la producción de uso final, resulta crucial comprender el rendimiento a largo plazo de las piezas impresas. Los componentes de uso final suelen estar sometidos a condiciones ambientales adversas, como la exposición a la radiación ultravioleta (UV), las fluctuaciones de temperatura y los esfuerzos mecánicos. Evaluar cómo responden los materiales a estos factores es esencial para garantizar la fiabilidad y la seguridad. 

Este estudio evalúa la durabilidad ambiental a largo plazo del Nylon 12 Powder y el Nylon 12 Tough Powder de Formlabs mediante envejecimiento acelerado a la intemperie. El objetivo es simular una exposición prolongada a la luz ultravioleta, el calor y la humedad para evaluar cómo cambian con el tiempo las propiedades mecánicas, visuales y dimensionales del material. Este enfoque sigue los métodos de ensayo estándar que se usan en distintos sectores, por lo que los resultados son comparables a los de los termoplásticos convencionales.

El envejecimiento fue llevado a cabo por Applied Technical Services (ATS), un laboratorio independiente certificado, utilizando el método establecido en la Norma ASTM D4329-21 (Ciclo A). Esta norma describe procedimientos para el envejecimiento acelerado de plásticos usando una fuente de luz de arco de xenón, que simula el espectro completo de la luz solar (ultravioleta, visible e infrarroja) e incluye ciclos de humedad mediante un aerosol de agua. Este ciclo de ensayo está ampliamente reconocido en los sectores de los plásticos y la automoción como un método validado para predecir la durabilidad a largo plazo en exteriores. A continuación, las muestras envejecidas se sometieron a ensayo en Formlabs con un modulómetro automático calibrado y se midieron y analizaron con un espectrofotómetro para registrar sus cambios de color.

Parámetros de exposición según la Norma ASTM D4329-21 (Ciclo A): 

• La irradiancia típica a 340 nm es de 0,89 W/(m2.nm)

• 8 horas de radiación UV con un panel negro sin aislamiento, con la temperatura controlada a 60 °C

• 4 horas de condensación con un panel negro sin aislamiento, con la temperatura controlada a 50 °C
   

Equipamiento

• ATS: Cámara ultravioleta (Q-Lab), reloj de pared, radiómetro

• Formlabs: Modulómetro automatizado LabsCubed, espectrofotómetro X-Rite

Se imprimieron en 3D 48 muestras en impresoras 3D de la serie Fuse de Formlabs, utilizando la geometría de barra de tracción ASTM Tipo I estándar. Se imprimieron 24 muestras con el Nylon 12 Powder y 24 con el Nylon 12 Tough Powder, utilizando los ajustes de impresión predeterminados de Formlabs.

Ensayos mecánicos: 

Las propiedades mecánicas se sometieron a ensayo en seis intervalos: 0, 200, 400, 600, 800 y 1000 horas de exposición. Se retiraron cuatro muestras de cada polvo en cada intervalo. En cada ensayo se midieron las siguientes propiedades, con todas las piezas impresas en la dirección X en la misma impresión a partir del mismo lote de polvo para eliminar posibles variaciones de un lote a otro:

• Módulo de tracción (MPa): mide la rigidez del material y cuánto puede resistir la deformación al verse sometido a esfuerzos.

• Resistencia a la rotura por tracción (MPa): refleja la resistencia del material y mide el esfuerzo máximo que puede soportar un material estirado antes de empezar a romperse.

• Alargamiento de rotura (%) (X/Y): mide la ductilidad del material y cuánto puede estirarse antes de fracturarse.

Los ensayos se realizaron a temperatura ambiente siguiendo los protocolos de tracción estándar. Se utilizó un modulómetro automatizado para minimizar los errores del operario y las piezas se acondicionaron a 25 °C y un 50 % de humedad relativa durante dos días antes del ensayo para garantizar la fiabilidad del mismo.

Inspección visual y espectrográfica

Se fotografió cada muestra antes y después de la exposición para documentar los cambios visibles, como el amarilleamiento o la decoloración y los cambios de textura de la superficie. Estos datos cualitativos complementan los resultados de los ensayos mecánicos y ayudan a determinar la estética de la pieza a lo largo del tiempo. 

El color de todas las muestras se midió con un espectrofotómetro X-Rite. Las mediciones del color se realizan en un espacio de color CIELAB (L*a*b*) y se calcula una diferencia Delta E 2000 entre la pieza impresa original y la muestra envejecida. Delta E 2000 (DE00) es la aproximación matemática más avanzada de la diferencia de color, que proporciona una aproximación muy cercana a lo que puede percibir el ojo humano. Generalmente, una DE00 de 1 es el límite de la diferencia de color perceptible por el ojo humano.

Propiedades dimensionales

Los cambios en las medidas de las muestras se midieron sin seguir ninguna norma específica. Los resultados se presentan como cambios porcentuales en ambas direcciones de impresión.

Además del envejecimiento por radiación UV, el rendimiento de las piezas a bajas temperaturas es una consideración clave para darles aplicaciones de uso final, especialmente si esas aplicaciones tienen lugar en entornos exteriores a temperaturas frías o extremas, es decir, vuelos espaciales o equipamiento criogénico. Un laboratorio distinto realizó ensayos a baja temperatura con el Nylon 12 Powder para evaluar el rendimiento del material en condiciones de frío extremo. El ensayo se llevó a cabo conforme a la Norma ISO 170250-2017, siguiendo el método de ensayo estándar ASTM D638-22. Las barras de resistencia de Tipo 1 se acondicionaron durante más de cuatro horas y se sometieron a ensayo a -60 °C para evaluar los cambios en el comportamiento mecánico, siguiendo los mismos protocolos utilizados para los ensayos a temperatura ambiente (velocidad de la cruceta a 5,08 milímetros por minuto).

Las gráficas anteriores muestran, para cada polvo y propiedad mecánica medida, el valor normalizado (%) de las propiedades mecánicas medidas, que es el porcentaje de cambio respecto a su valor original.

Aunque no existe una única norma universal que defina cuál es una evolución aceptable de las propiedades bajo envejecimiento acelerado en todos los polímeros, el sector ofrece directrices y buenas prácticas para interpretar los resultados. Según estudios de termoplásticos comunes no impresos en 3D, la definición de estabilidad aceptada por el sector puede definirse normalmente como un cambio de menos de un 10 % en el módulo y la resistencia, y un cambio de menos de un 20 % en el alargamiento. Esta definición también se adopta habitualmente en el sector de la fabricación aditiva para la impresión 3D SLS.

El Nylon 12 Powder presenta una excelente retención mecánica durante las 1000 horas de exposición. El módulo de tracción solo disminuye alrededor de un 4 % y la resistencia a la rotura por tracción solo desciende un 3,3 %, valores que se encuentran dentro del umbral que suele considerarse estable (menos de un 10 % de cambio). El alargamiento de rotura disminuye aproximadamente un 17 %, una tendencia habitual en termoplásticos que reciben una exposición prolongada a luz UV, pero que sigue estando dentro de unos límites aceptables para aplicaciones industriales.

El Nylon 12 Tough Powder también tiene un buen rendimiento. Su módulo de tracción disminuye inicialmente, pero se recupera al finalizar el ciclo, terminando solo un 0,5 % por debajo del valor original. La resistencia a la rotura por tracción mostró resultados coherentes con estas tendencias, con una reducción de solo un 6 %. El alargamiento de rotura disminuye un 14,7 %, lo que se ajusta a las expectativas para las poliamidas flexibles sometidas a exposición UV.
 

La gráfica de abajo muestra la evolución visual de cada material a lo largo del tiempo. Las mediciones utilizando DE00 para calcular el cambio de color muestran un cambio mínimo: 0,60 con el Nylon 12 Powder y 0,63 con el Nylon 12 Tough Powder. Estos resultados están por debajo de 1,0, el valor considerado como el umbral de perceptibilidad por el ojo humano, lo que indica una excelente retención del color a lo largo del tiempo.

Las tablas siguientes resumen los resultados tras 1000 horas de ensayo de envejecimiento acelerado a la intemperie.

Estos cambios se encuentran dentro de la definición de estabilidad aceptada por el sector, que puede definirse normalmente como un cambio de menos de un 10 % en el módulo y la resistencia y un cambio de menos de un 20 % en el alargamiento. Ambos polvos muestran una excelente estabilidad mecánica y visual a largo plazo bajo un envejecimiento acelerado por arco de xenón. Estos resultados sugieren que ambos polvos son adecuados para aplicaciones en exteriores y de uso final en las que importan el envejecimiento y la exposición a las condiciones ambientales.

La gráfica de abajo muestra el porcentaje de cambios dimensionales de las muestras a lo largo del tiempo, en ambos polvos y direcciones de impresión. Los resultados demuestran un cambio dimensional mínimo, normalmente en un intervalo de ±0,5 %, tanto para el Nylon 12 Powder como para el Nylon 12 Tough Powder, Esto se ajusta a la variación normal del propio proceso de impresión. This is consistent with normal variation from the printing process itself. Estos resultados indican una buena estabilidad dimensional en condiciones de envejecimiento a la intemperie de larga duración.

Además del envejecimiento acelerado a la intemperie, el equipo de I+D de Formlabs realizó ensayos de tracción a baja temperatura con el Nylon 12 Powder para evaluar el comportamiento de las piezas en condiciones de frío extremo. 

Estos resultados muestran una mayor resistencia y rigidez, pero una menor ductilidad a temperaturas bajo cero, lo que es coherente con el comportamiento típico de los termoplásticos. Se espera que esta tendencia se cumpla también con otros polvos SLS a base de nylon, como el Nylon 12 Tough Powder.

Este libro blanco resume los resultados de un estudio de envejecimiento acelerado a la intemperie realizado con el Nylon 12 Powder y el Nylon 12 Tough Powder de Formlabs, según la Norma ASTM D4329-21, Ciclo A, usando una exposición a arco de xenón de 1000 horas. Este procedimiento normativo simula una exposición prolongada a la luz solar y a la humedad. Se evaluaron las propiedades mecánicas y visuales para valorar el rendimiento de los materiales en aplicaciones de larga duración y en exteriores. 

Los resultados muestran que ambos polvos mantienen la estabilidad mecánica durante todo el periodo de exposición, y sus propiedades como materiales conservan el 90 % de su valor original tras la exposición. El módulo de tracción y la resistencia a la rotura por tracción variaron menos de un 10 %, un umbral utilizado habitualmente en los estudios de envejecimiento de polímeros para indicar un rendimiento estable. El alargamiento de rotura disminuyó, como era de esperar, pero dentro de un margen aceptable para los termoplásticos a base de nylon. El cambio de color se mantuvo por debajo del umbral de perceptibilidad. Se realizaron ensayos adicionales a baja temperatura, a -60 °C, para evaluar el rendimiento en entornos con un frío extremo. Los resultados indican un aumento de la rigidez y una reducción de la ductilidad, que es un comportamiento esperado de los termoplásticos comunes. 

En conjunto, estos resultados confirman que ambos polvos son candidatos viables para aplicaciones de uso final de larga duración, en interiores y exteriores. Estos polvos son ideales para piezas de producción, sujeciones con guía, fijaciones, carcasas y herramientas que requieran resistencia, estabilidad y mantener su aspecto a lo largo del tiempo. En el apéndice se incluyen ejemplos de uso real por parte de los clientes. Métodos avanzados de posacabado como el alisado con vapor y los revestimientos pueden aumentar aún más el rendimiento de las piezas de SLS mejorando el acabado de la superficie, reduciendo la absorción de humedad y aumentando la durabilidad, lo que las hace aptas para aplicaciones todavía más exigentes.

Aviso legal: Estos resultados se basan en las condiciones de ensayo descritas anteriormente. Las propiedades de los materiales pueden variar con la geometría de la pieza, las condiciones de impresión y la temperatura. 

Los resultados presentados en este libro blanco demuestran que el Nylon 12 Powder y el Nylon 12 Tough Powder de Formlabs mantienen un excelente rendimiento mecánico y estético a lo largo del tiempo, incluso en condiciones de envejecimiento acelerado y frío extremo. Estos resultados se ajustan a la forma en que los clientes de Formlabs ya están utilizando estos materiales en aplicaciones exigentes de larga duración. Los siguientes casos de estudio ilustran cómo las empresas utilizan las piezas impresas en 3D mediante SLS para la producción, validando su durabilidad con ensayos internos o realizados por terceros.

Aunque este libro blanco se centra en el Nylon 12 Powder y el Nylon 12 Tough Powder, es importante tener en cuenta que los clientes también están probando otros polvos SLS de Formlabs para aplicaciones de larga duración en exteriores. Varias empresas han informado de resultados satisfactorios utilizando estos materiales en casos de envejecimiento y exposición a la intemperie, aunque es posible que aún no se hayan publicado datos formalizados.

XSPECTER diseña y fabrica trípodes de cámara resistentes y accesorios utilizados por fotógrafos, cineastas y servicios de emergencia. Para reducir los costes de utillaje y mejorar la libertad de diseño, integraron la impresión 3D SLA y SLS en la producción, utilizando el Nylon 12 Powder de Formlabs para crear componentes de uso final resistentes que deben soportar impactos, vibraciones y la exposición a la intemperie durante su uso en exteriores. Piezas como patas de trípode personalizadas y carcasas modulares se pueden imprimir ahora en tu propia empresa, lo que permite realizar iteraciones más rápidas y fabricar en lotes pequeños sin perjudicar a su fiabilidad. Este uso en condiciones reales contribuye a reforzar la estabilidad mecánica del material en entornos exteriores reales.

Next Meters fabrica herramientas de medición de agua conectadas y necesitaba crear adaptadores personalizados para una amplia gama de instalaciones de conducciones de agua. Para las variantes de bajo volumen, utilizaron la Fuse 1 y el Nylon 11 Powder de Formlabs para imprimir anillos de soporte de uso final expuestos a inclemencias ambientales.

Para validar la durabilidad de las piezas, realizaron un ensayo ambiental acelerado de tres meses en una cámara Thermotron que simulaba 15 años de exposición a la intemperie, incluyendo condiciones como calor, frío, humedad e inmersión en agua. Las piezas también se sometieron a ensayos de radiación UV y en cámara de lluvia. Los componentes impresos en 3D mediante SLS no mostraron ninguna degradación mecánica ni estética durante los ensayos y se están utilizando actualmente en las condiciones reales para las que fueron diseñados.

Estos resultados se alinean directamente con las conclusiones de los ensayos de envejecimiento acelerado de este libro blanco, demostrando que los materiales de SLS conservan tanto su funcionalidad como su aspecto al experimentar condiciones ambientales hostiles durante un período prolongado. Esto las convierte en una solución fiable para crear componentes de conducciones de servicios públicos e infraestructuras en exteriores.