Guía de materiales impresión 3D resistentes al calor: Compara los procesos, los materiales y las aplicaciones

La impresión 3D FDM es adecuada para modelos básicos de prueba de concepto, así como para un prototipado rápido y de bajo coste de piezas sencillas, como piezas que podrían acabar pasando por un proceso de mecanizado. Puede ser rápida para diseños sencillos y, como mucha gente piensa en la tecnología FDM y en el proceso de la "pistola termofusible" cuando visualiza la impresión 3D, puede ser una introducción fácil a la impresión 3D. 

Sin embargo, el FDM es la técnica que menor resolución y precisión tiene comparada con la SLA y el SLS. No es la mejor opción para imprimir diseños complejos o piezas con relieves complicados. La mayoría de las impresoras 3D FDM profesionales e industriales usan soportes solubles para mitigar algunos de estos inconvenientes y ofrecen una mayor variedad de termoplásticos para ingeniería, pero estos tienen un precio elevado.

Existe una amplia gama de impresoras FDM para fabricar piezas impresas en 3D resistentes al calor. Muchas impresoras también tienen plataformas abiertas, para que los clientes puedan imprimir con varios tipos de filamentos de distintos fabricantes. 

El principal requisito para la impresión 3D FDM de piezas resistentes al calor es asegurarse de que el extrusor de la impresora y el lecho de impresión puedan alcanzar las temperaturas altas necesarias para fundir y extruir filamentos resistentes al calor y para estabilizar las piezas durante el proceso de impresión. Se recomienda una cámara de impresión cerrada para mantener una temperatura uniforme y elevada durante la impresión. Los filamentos que ofrecen la mayor resistencia al calor, como la PEEK o el ULTEM, solo son compatibles con impresoras FDM industriales especializadas.

Como estos materiales están diseñados para resistir la deformación a temperaturas elevadas, fundirlos y extruirlos también suele plantear dificultades y puede crear impresiones irregulares, atascos en las boquillas extrusoras u otros problemas.

Los dos materiales más comunes para la impresión FDM son el PLA y el ABS. De los dos, el ABS ofrece una mayor resistencia al calor. También existen otros filamentos más resistentes al calor, pero suelen ser más difíciles de imprimir o requieren impresoras 3D industriales especializadas.

PLA

El ácido poliláctico o PLA es el material de plástico más común para las impresoras 3D de filamento: es económico, tiene un proceso de trabajo muy sencillo y está disponible en muchos colores, lo que lo hace atractivo para los aficionados y para la educación primaria y secundaria. El PLA estándar tiene una resistencia al calor relativamente baja, con una temperatura de flexión bajo carga de unos 50 ºC a 0,45 MPa. Por lo tanto, muchos fabricantes ofrecen a quienes buscan mantener la facilidad de uso y, al mismo tiempo, poder imprimir de forma rápida y fácil piezas de PLA resistentes al calor, un material de PLA con aditivos que mejoran su resistencia al calor. Además, algunos procesos de trabajo recomiendan una fase de recocido, lo que significa que los acabados de la superficie se recalientan para cristalizar aún más sus estructuras y evitar la deformación por fluencia.

ABS

El acrilonitrilo butadieno estireno o ABS es el filamento de impresión 3D FDM más común para la ingeniería y otras aplicaciones profesionales. Produce piezas fuertes y resistentes a los impactos. Gracias a su temperatura de flexión bajo carga de 90 ºC a 0,45 MPa, tiene mejor resistencia al calor que otros tipos comunes de filamento como el PLA o el PETG. Las piezas de ABS son ideales para aplicaciones de prototipado rápido y para la educación; su bajo coste y su proceso de trabajo accesible lo convierten en una opción popular para impresiones rápidas.

Policarbonato (PC)

Los materiales de policarbonato, aunque conocidos por su elevada resistencia a la tracción y a la temperatura, suelen ser difíciles de imprimir en 3D porque se expanden cuando se exponen al calor y las piezas impresas en 3D pueden agrietarse o no funcionar bien. Los fabricantes de impresoras 3D FDM suelen evitarlo creando compuestos de policarbonato con aditivos que aumentan su capacidad adhesiva. Algunos filamentos compuestos de policarbonato resistentes al calor pueden alcanzar temperaturas de flexión bajo carga que van de 110 ºC a 140 ºC a 0,45 MPa, pero requieren altas temperaturas para el lecho de impresión y la boquilla de extrusión, lo que puede limitar los tipos de impresoras disponibles. 

PEEK

La PEEK (poliéter éter cetona) o los filamentos compuestos de PEEK ofrecen la mayor resistencia al calor para la impresión 3D FDM. Cuando estos filamentos se combinan con un material como la fibra de carbono, como es el caso del PEEK-CF, un compuesto de PEEK y fibra de carbono, pueden alcanzar hasta 260 ºC antes de deformarse bajo un esfuerzo, lo que los hace ideales para el prototipado rápido de conectores eléctricos, productos para exteriores o sujeciones con guía y fijaciones que se van a dedicar a aplicaciones y procesos de moldeo. El material es muy resistente a los productos químicos y a la fricción y se puede mecanizar cuando alcanza el estado sólido después de la impresión. Las propiedades de resistencia al calor de la PEEK dificultan fundirla y extruirla de forma fluida, y muchos usuarios afirman que la fiabilidad y la uniformidad de los resultados son más difíciles de conseguir con la PEEK. Los filamentos de PEEK solo son compatibles con algunas impresoras FDM industriales. Para asegurar buenos resultados, las impresoras deben tener un extrusor que pueda alcanzar los 400 °C, una cámara que pueda calentarse hasta los 120 °C y una base de impresión que pueda calentarse hasta los 230 °C. La PEEK es también considerablemente más cara que otros filamentos. 

ULTEM (PEI)

ULTEM es otro nombre de la polieterimida (PEI), un termoplástico de alto rendimiento que se utiliza con frecuencia en la impresión 3D FDM por su resistencia al calor y su tenacidad. Al tener una temperatura de flexión bajo carga de unos 150 °C a 0,45 MPa y una gran resistencia a la tracción, es un sustituto digno y menos caro de la PEEK en diversas aplicaciones. El ULTEM se imprime más fácilmente que la PEEK, pero sigue necesitando un extrusor de alta temperatura (alrededor de 360 °C) para obtener buenos resultados, por lo que solo un abanico limitado de impresoras FDM son adecuadas para imprimir filamento de ULTEM.

Las impresoras 3D de resina son ideales para crear piezas de alta calidad con acabados de la superficie lisos, tolerancias ajustadas y un amplio abanico de propiedades de los materiales.

Dado que las impresoras de resina curan plásticos líquidos usando una fuente de luz, las capas quedan adheridas químicamente entre sí en todas las direcciones, lo que convierte las impresiones en piezas con propiedades mecánicas isotrópicas que no son propensas a desgarrarse a lo largo de un eje concreto como las impresiones FDM. Esto significa que se pueden utilizar piezas impresas en 3D con resinas resistentes al calor para sellos y juntas, conectores eléctricos que deben acoplarse con otros componentes o incluso aplicaciones de automoción, aeroespaciales y de suministro de energía en las que las altas temperaturas son la norma. 

El proceso de la SLA también se presta a generar acabados de la superficie lisos, líneas de capa escasas o casi invisibles y un grado elevado de fidelidad y precisión. Las resinas resistentes al calor son ideales para prototipos funcionales, accesorios para la fabricación y piezas de uso final en operaciones de mantenimiento y reparación en las que el entorno de uso final puede estar caliente. 

La disponibilidad de los materiales para la impresión 3D de resina depende en gran medida del tipo de impresora. A diferencia de la impresión 3D FDM, en la que hay tipos comunes de plásticos disponibles para diferentes tipos de impresoras, los fabricantes de SLA a menudo formulan y crean sus propios materiales.

Formlabs ofrece más de 40 resinas de alto rendimiento para su línea de impresoras 3D de resina de escritorio y de gran formato, que tienen diversas propiedades como materiales. Algunas resinas están diseñadas específicamente para la resistencia al calor, como la High Temp Resin, mientras que otras están diseñadas para ofrecer otras propiedades, como la resistencia a la tracción, pero también tienen una alta temperatura de flexión bajo carga.

La impresión 3D SLA proporciona piezas lisas y de calidad de uso final que pueden funcionar en un amplio abanico de entornos diferentes. Formlabs ha desarrollado varias resinas resistentes a altas temperaturas específicamente para clientes que trabajan en entornos extremos, además de crear varias resinas excepcionalmente fuertes que también son resistentes al calor. 

Al elegir una impresora de resina para un proceso de trabajo de impresión 3D resistente al calor, es importante definir qué propiedades mecánicas son importantes además de la temperatura de flexión bajo carga. Por ejemplo, si tus piezas van a trabajar en un entorno de uso final que está a 200 ºC, esa es la primera propiedad mecánica que hay que evaluar. Si el entorno en el que va a tener lugar su uso final solo está a 150 ºC, tendrás más opciones para elegir, y entonces podrás evaluar la impresora en función de otros materiales disponibles, el acabado de la superficie que produce, la facilidad de uso y el precio.

Clear Resin

La impresión 3D con resina ofrece la posibilidad única de crear piezas verdaderamente transparentes impresas en 3D. La Clear Resin es un material estándar diseñado para ofrecer resistencia y durabilidad, que tiene una resistencia al calor lo suficientemente buena como para que pueda utilizarse en entornos de mucho calor, como conductos de aire caliente o gas. Gracias a su temperatura de flexión bajo carga de 73 °C a 0,45 MPa, este material de uso general es excelente para el prototipado funcional. La Clear Resin se puede utilizar para aplicaciones de moldeo a temperaturas más bajas, como el moldeo de poliuretano, ya que la temperatura del molde solo suele alcanzar unos 60 °C.

Tough 2000 Resin

La Tough 2000 Resin es una opción excelente para prototipar piezas resistentes, rígidas y robustas que no deban doblarse con facilidad. Se puede utilizar para sujeciones con guía y fijaciones que requieran una flexión mínima, gracias a lo bien que simula la resistencia y la rigidez del ABS.

High Temp Resin 

Para aplicaciones de alta temperatura que requieren el acabado de la superficie liso y las propiedades optimizadas de las resinas para SLA, la High Temp Resin es una elección muy adecuada. Es una resina especialmente diseñada para resistir el calor. Con una temperatura de flexión bajo carga de 238 °C a 0,45 MPa, la más alta entre las resinas de Formlabs, la High Temp Resin es ideal para aplicaciones como el prototipado funcional de componentes electrónicos de consumo para entorno con mucho calor, circulación de aire, líquidos y gases calientes y moldes e insertos para fundición.  

Flame Retardant Resin 

La Flame Retardant Resin es un material para SLA que se ha diseñado expresamente para ser autoextinguible y estar libre de halógenos, teniendo además una certificación UL 94 V-0 y calificaciones favorables de fuego, humo y toxicidad (FST). Es ideal para imprimir piezas ignífugas, rígidas y resistentes al calor y la deformación por fluencia, que funcionarán bien a largo plazo en entornos de interior e industriales en los que haya altas temperaturas o fuentes de ignición. Tiene una temperatura de flexión bajo carga de 111 ºC a 0,45 MPa.

Rigid 10K Resin 

La Rigid 10K Resin es un material muy reforzado con vidrio que es fuerte, rígido y resistente a la deformación bajo diversas fuerzas, presiones y pares. Ofrece una resistencia al calor muy elevada, con una temperatura de flexión bajo carga de 238 °C a 0,45 MPa. Es ideal para producir moldes maestros y revestimientos de inyección de series cortas, modelos para ensayos aerodinámicos y sujeciones con guía, fijaciones y conectores expuestos a fluidos.

Silicone 40A Resin

Al combinar el alto rendimiento de la silicona y la libertad de diseño de la impresión 3D para crear piezas de silicona muy funcionales con una excelente resistencia química y al calor (de hasta 125 °C), la Silicone 40A Resin es la primera resina de impresión 3D 100% de silicona que resulta accesible. Puede crear detalles finos de hasta 0,3 mm y geometrías complejas que no son posibles con los métodos tradicionales.

Alumina 4N Resin

La Alumina 4N Resin es la única cerámica técnica accesible de alto rendimiento, que hace posibles nuevas aplicaciones de la impresión 3D en entornos extremos. Aunque imprimir con ella requiere equipamiento adicional para realizar un verdadero quemado cerámico, una vez completadas, las piezas hechas con la Alumina 4N Resin tienen una temperatura máxima de funcionamiento de 1500 °C. El uso de este material abre nuevas posibilidades en la fundición industrial, en el moldeo e incluso en aplicaciones especializadas como la manipulación de residuos nucleares y metales líquidos.

_{Nota: Las propiedades de resistencia al calor difieren, ya que ningún parámetro es aplicable a todos los materiales. La tabla muestra la estabilidad térmica de la Silicone 40A Resin, la temperatura máxima de funcionamiento de la Alumina 4N Resin y la temperatura de flexión bajo carga a 0,45 MPa de todos los demás materiales.}

Las impresoras 3D SLS son excelentes para producir piezas de uso final que tengan la resistencia y durabilidad de los productos moldeados por inyección. El carácter autosostenible del lecho de polvo hace posible imprimir piezas sin soportes, con lo que se agiliza el posacabado y se pueden crear formas que serían difíciles de imprimir con la tecnología SLA o FDM. 

Con frecuencia, los ecosistemas SLS pueden reciclar el polvo de impresión, aumentando la eficiencia y reduciendo el coste por pieza. Las impresoras SLS suelen tener mayores volúmenes de impresión que otras tecnologías y el carácter autosostenible de la tecnología SLS permite imprimir lotes más grandes de piezas, lo que hace posible alcanzar cantidades de producción de bajo a medio volumen. El fuerte calor que se utiliza para sinterizar los materiales de SLS hace que las piezas acabadas puedan alcanzar una elevada resistencia térmica.

Las impresoras SLS a menudo pueden ser más caras que las tecnologías FDM o SLA, aunque opciones accesibles como la serie Fuse de Formlabs permiten producir in situ mediante SLS piezas resistentes al calor a un precio asequible. Las piezas impresas también tienen un acabado de la superficie ligeramente rugoso, pero es algo que se puede mejorar con facilidad usando soluciones de posacabado.

Los polvos de impresión 3D SLS son resistentes al calor por naturaleza, por lo que las opciones para elegir una impresora SLS no son demasiado limitadas si la aplicación requiere una mayor temperatura de flexión bajo carga. El material habitual para la impresión 3D SLS es el nylon, mientras que la mayoría de los fabricantes de impresoras SLS ofrecen diversos polvos termoplásticos conocidos. Dado que los materiales suelen ser comunes a los fabricantes, otras características, como el volumen de impresión, el precio, el proceso de trabajo y los requisitos de infraestructura suelen ser los factores diferenciadores a la hora de elegir entre distintas marcas de impresora 3D SLS. 

La serie Fuse de Formlabs ha traído al mercado una solución accesible, asequible y con un tamaño apto para el banco de trabajo, tanto para prototipado de alta calidad como para producción de uso final. Al disponer de una gama de polvos estándar del sector, como el nylon 12, el nylon 11, compuestos de nylon, el TPU y el polipropileno, ofrece muchas opciones para fabricar piezas resistentes al calor.

El material más común para el sinterizado selectivo por láser es el nylon, un termoplástico de ingeniería con muchas capacidades, resistente a la radiación UV, la luz, el calor, la humedad, los disolventes, la temperatura y el agua. Es ideal para ensamblajes complejos y piezas duraderas con una alta estabilidad ambiental. Está disponible en múltiples variantes y en formas compuestas, cada una de ellas adaptada a aplicaciones diferentes. Otros materiales de SLS populares son el polipropileno dúctil y el TPU flexible, ambos con buenas propiedades de resistencia al calor.

Nylon 12 Powder

Con un equilibrio entre resistencia y detalle, el Nylon 12 Powder es un material de gran eficacia, tanto para el prototipado funcional como para la producción de uso final de ensamblajes complejos y piezas resistentes con una gran estabilidad ambiental. Ofrece una temperatura de flexión bajo carga de 171 °C a 0,45 MPa, lo que lo convierte en uno de los mejores materiales de uso general para aplicaciones de alta temperatura.

Nylon 12 GF Powder

El Nylon 12 GF Powder es un material con partículas de vidrio, una rigidez mejorada y una mayor resistencia al calor cuando se ve sometido a esfuerzos, para soportar condiciones de fabricación exigentes. Es ideal para aplicaciones en las que la rigidez estructural y la estabilidad térmica son fundamentales, como prototipos funcionales de alto rendimiento o piezas de uso final robustas que necesitan mantener la precisión dimensional.

Nylon 11 Powder

El Nylon 11 Powder es un material dúctil y robusto con una temperatura de flexión bajo carga de 182 °C a 0,45 MPa. Es adecuado para la impresión 3D de piezas resistentes al calor que deben doblarse o recibir impactos, para el prototipado funcional y para la fabricación en lotes pequeños.

Nylon 11 CF Powder

El Nylon 11 CF Powder es un polvo reforzado con fibra de carbono que es ideal para piezas rígidas, resistentes y ligeras que puedan soportar un calor elevado para un uso de larga duración. Tiene una temperatura de flexión bajo carga de 188 °C a 0,45 MPa, lo que lo convierte en el polvo para SLS de Formlabs más resistente a la temperatura. Es ideal para aplicaciones de calor elevado que requieren resistencia y rigidez, como alternativas que sirvan de recambios y repuestos para piezas metálicas.

Polypropylene Powder

El Polypropylene Powder es un material de verdadero polipropileno que ofrece una gran ductilidad que permite doblarlo y flexionarlo repetidamente y una buena durabilidad, sin que haga falta un control de inertización atmosférica. Con una temperatura de flexión bajo carga de 113 °C a 0,45 MPa, tiene un poco menos de resistencia al calor que el nylon, pero aun así puede producir prototipos funcionales y piezas de uso final duraderas, resistentes a los productos químicos, soldables y estancas.

TPU 90A Powder

Las impresoras 3D SLS también pueden crear piezas flexibles de poliuretano termoplástico (TPU) con una libertad de diseño y una facilidad sin igual. Al combinar la resistencia a las altas temperaturas, la gran resistencia al desgarro y el alargamiento de rotura de las gomas con la versatilidad de la impresión 3D, el TPU 90 Powder es ideal para producir prototipos y piezas de uso final flexibles y seguros para la piel que soporten las exigencias de un uso diario.

_{Nota: Las propiedades de resistencia al calor difieren, ya que ningún parámetro es aplicable a todos los materiales. La tabla muestra la temperatura de reblandecimiento VICAT del TPU 90A Powder y la temperatura de flexión bajo carga a 0,45 MPa de todos los demás materiales.}

La impresión 3D en metal se valora por su capacidad de combinar la tenacidad, durabilidad y resistencia al calor de las piezas metálicas con la libertad de diseño de la impresión 3D. Las piezas metálicas impresas en 3D son deseadas en ámbitos como el sector aeroespacial y el de la automoción, donde el aligerar las piezas mediante el diseño generativo puede proporcionar un alto rendimiento sin añadir peso; algo que no sería posible mediante los métodos de mecanizado tradicionales en la fabricación con metal. 

Los elevados requisitos energéticos necesarios para manipular, fundir y/o extruir metal o materiales compuestos de metal hacen que estas impresoras de metal suelan ser extremadamente caras: un modelo considerado "básico" cuesta más de 80 000 €. Los líderes del sector de la impresión 3D en metal ofrecen máquinas cuyo precio suele ser de medio millón de euros o más y que requieren una amplia infraestructura para poder llevar a cabo sus procesos, como salas propias y operarios especializados.

Hay menos fabricantes de impresoras 3D de metal que de impresiones 3D de plástico, pero el número está creciendo a medida que aumenta la demanda de procesos de trabajo que puedan ofrecer tanto la resistencia y los materiales conocidos en el sector de las piezas metálicas como las posibilidades de diseño de la impresión 3D.

Estos fabricantes se agrupan aproximadamente en dos tecnologías: extrusión y fusión de lecho de polvo. Las impresoras FDM de metal funcionan de forma similar a las impresoras FDM tradicionales, pero utilizan varillas metálicas extruidas unidas por aglutinantes poliméricos. Las piezas terminadas sin poscurar se sinterizan en un horno para eliminar el aglutinante.  Las impresoras 3D de fusión selectiva por láser (SLM) y sinterizado directo de metal por láser (DMLS) funcionan de forma parecida a las impresoras SLS, pero en lugar de fundir polímeros en polvo, unen partículas de polvo metálico capa a capa utilizando un láser. 

Una de las ventajas de la impresión 3D de metales es que los clientes están familiarizados con los materiales: tanto si empiezan como varillas que se funden y se unen como si son polvos que se sinterizan para darles la forma deseada, los materiales metálicos como el acero o el aluminio son fáciles de reconocer y comprender para los potenciales usuarios de la impresión 3D. Los materiales más populares son los mismos metales que ya se encuentran en los sectores de la industria aeroespacial, la automoción, la fabricación industrial, la agricultura y los servicios públicos de electricidad, agua y gas. 

Titanio

El titanio es un metal muy resistente a la temperatura y una de las aleaciones más utilizadas en la impresión 3D. Es resistente a la corrosión y tiene poco peso en relación con su resistencia.

Acero inoxidable

El acero inoxidable es un material muy conocido que tiene muchos usos fácilmente visibles en la arquitectura, el diseño, la automoción y el sector aeroespacial. La impresión 3D en acero inoxidable puede ser útil para piezas de recambio puntuales en aplicaciones como la fabricación, donde los métodos tradicionales pueden tardar semanas, o para lugares remotos como los buques de guerra que imprimen piezas mientras están en el mar. El punto de fusión del acero inoxidable cambia en función de la formulación exacta del material, que es un compuesto, pero oscila entre los 1370 °C y los 1530 °C. 

Aluminio

El aluminio es un material popular para piezas ligeras de baja densidad. Con un punto de fusión de 660 °C, se encuentra en el extremo inferior de la escala de los materiales resistentes al calor para la impresión 3D en metal. 

_{Nota: La resistencia al calor se refiere al punto de fusión de todos los materiales.}