Guía de materiales de impresión 3D: Tipos, aplicaciones y propiedades

Hay docenas de materiales plásticos disponibles para la impresión 3D, cada uno con cualidades únicas que lo hacen más adecuado para usos concretos. Para simplificar el proceso de encontrar el material más apropiado para una pieza o producto, echemos antes un vistazo a los principales tipos de plásticos y los diferentes procesos de impresión 3D.

Hay dos tipos principales de plásticos:

• Los termoplásticos son el tipo de plástico que más se usa. La principal característica que los distingue de los plásticos termoendurecibles es su capacidad de soportar numerosos ciclos de fusión y solidificación. Los termoplásticos se pueden calentar y se les puede dar la forma deseada. El proceso es reversible, ya que no se producen enlaces químicos, por lo que es factible reciclar o fundir y reutilizar los termoplásticos. Los termoplásticos se comparan con frecuencia con la mantequilla, que puede derretirse, solidificarse de nuevo y volverse a derretir. Con cada ciclo de fundición, las propiedades cambian un poco.

• Los plásticos termoendurecibles permanecen en un estado sólido permanente después de su curado. Los polímeros en los materiales termoendurecibles se entrecruzan durante un proceso de curado inducido por luz, calor o una radiación adecuada. Cuando se calientan, los plásticos termoendurecibles se descomponen en vez de fundirse y no vuelven a formarse al enfriarlos. No es posible reciclar los plásticos termoendurecibles ni revertir el material a sus ingredientes. Un material termoendurecible es como la masa de un pastel, una vez que se hornea no puede volver a convertirse en masa.

Las tres tecnologías de impresión 3D de plástico más comunes hoy son:

• Las impresoras 3D de modelado por deposición fundida (FDM) construyen piezas al derretir y extrudir un filamento termoplástico que un extrusor deposita capa por capa en el área de impresión.

• Las impresoras 3D de estereolitografía (SLA) usan un láser para curar resinas líquidas termoendurecibles y convertirlas en plástico endurecido en un proceso conocido como fotopolimerización.

• Las impresoras 3D de sinterizado selectivo por láser (SLS) usan un láser de alta potencia para fundir pequeñas partículas de polvo de termoplástico.

El modelado por deposición fundida (FDM), también conocido como fabricación con filamento fundido (FFF), es la forma más extendida de impresión 3D al alcance del consumidor, fomentada por la aparición de las impresoras 3D para aficionados. 

Es una técnica adecuada para modelos básicos de prueba de concepto, así como para el prototipado de bajo coste de piezas sencillas, como piezas que podrían acabar pasando por un proceso de mecanizado.

El FDM que se vende a los consumidores es la técnica que menor resolución y precisión tiene comparada con otros procesos de impresión 3D en plástico. No es la mejor opción para imprimir diseños complejos o piezas con relieves complicados. Se puede obtener un acabado de mayor calidad mediante procesos de pulido químicos y mecánicos. Las impresoras 3D FDM 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.

Cuando los filamentos fundidos forman cada capa, a veces quedan vacíos entre capas cuando no se adhieren por completo. Esto genera piezas anisotrópicas, algo que es importante tener en cuenta cuando estás diseñando piezas que han de soportar cargas o resistir esfuerzos de tracción.

Los materiales de impresión 3D FDM más comunes son el ABS, el PLA y sus diversas mezclas. Las impresoras FDM más avanzadas también pueden imprimir con otros materiales especializados que ofrecen propiedades como la resistencia al calor, resistencia a impactos, resistencia química y rigidez.

La estereolitografía fue la primera tecnología de impresión 3D del mundo, inventada en los años 80, y sigue siendo una de las tecnologías más populares en el ámbito profesional. 

Las piezas realizadas mediante SLA tienen la mayor resolución y precisión, los detalles más nítidos y el acabado más liso de todas las tecnologías de impresión 3D. La impresión 3D de resina es una opción excelente para crear prototipos con un alto nivel de detalle que requieren tolerancias ajustadas y superficies lisas, así como piezas funcionales como moldes, patrones y piezas de uso final. Las piezas impresas en 3D mediante SLA también se pueden posacabar después con un pulido, pintura, revestimiento y otras opciones, produciendo piezas listas para los clientes con acabados de alta calidad.

Las piezas impresas en 3D mediante SLA son isotrópicas . Su resistencia es más o menos uniforme sin importar su orientación, porque se establecen enlaces químicos entre cada capa. Esto tiene como resultado piezas con un rendimiento mecánico predecible, que es crucial para aplicaciones como sujeciones y fijaciones, piezas de uso final y prototipos funcionales.

La impresión 3D SLA es muy versátil y ofrece fórmulas de resina con una gran variedad de propiedades ópticas, mecánicas y térmicas capaces de igualar las de los termoplásticos estándar, industriales y para ingeniería. La impresión 3D de resina también ofrece el espectro más amplio de materiales biocompatibles.

La disponibilidad de cada material dependerá en gran medida del fabricante y de la impresora. Formlabs ofrece el catálogo de resinas más exhaustivo, con más de 40 materiales para impresión 3D SLA.

Ingenieros y fabricantes de diversos sectores confían en la impresión 3D por sinterizado selectivo por láser (SLS) por su capacidad de generar piezas resistentes y funcionales. Con un bajo coste por cada pieza, un alto nivel de productividad y materiales establecidos, esta tecnología es ideal para una amplia variedad de aplicaciones, desde el prototipado rápido a los accesorios para la fabricación, así como para la fabricación de bajo volumen, el lanzamiento rápido de productos (conocido como bridge manufacturing) o la fabricación a medida.

Dado que el polvo sin fundir sirve como soporte para la pieza durante la impresión, no es necesario agregar expresamente estructuras de soporte. Esto hace que la impresión por SLS sea ideal para geometrías complejas, como relieves interiores, socavados, paredes delgadas y elementos cóncavos. 

Al igual que en la impresión SLA, las impresiones 3D SLS por lo general son isotrópicas. Las piezas de SLS tienen un acabado de la superficie menos fino debido a las partículas del polvo de impresión, pero casi no muestran líneas de capa visibles y se pueden posacabar con facilidad para mejorar incluso más su aspecto y su rendimiento mecánico.

La selección de materiales de impresión SLS es menos amplia que la de la impresión FDM y SLA, pero los materiales disponibles tienen unas características mecánicas excelentes, con una resistencia que se parece a las piezas moldeadas por inyección. El material más común para sinterizado selectivo por láser es el nylon, un popular termoplástico para ingeniería con excelentes propiedades mecánicas. El nylon es ligero, resistente y flexible, así como estable frente a impactos, productos químicos, el calor, la luz UV, el agua y la suciedad. Otros materiales populares para la impresión 3D SLS son el polipropileno y el poliuretano termoplástico (TPU) flexible.

Más allá de los plásticos, hay múltiples procesos de impresión 3D disponibles para la impresión 3D de metal. 

• FDM de metal

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. 

• Fusión selectiva por láser (SLM) y sinterizado directo de metal por láser (DMLS) 

Las impresoras 3D de metal SLM y DMLS funcionan de forma parecida a las impresoras SLS, pero en lugar de fundir polvos de polímeros, funden partículas de polvo de metal capa a capa utilizando un láser. Las impresoras 3D SLM y DMLS pueden crear productos de metal resistentes, precisos y complejos, lo que hace que este proceso sea ideal para el sector aeroespacial, la industria automovilística y las aplicaciones sanitarias.

• El titanio es ligero y tiene excelentes características mecánicas. Es fuerte, duro y muy resistente al calor, la oxidación y el ácido.

• El acero inoxidable tiene mucha tenacidad, posee una gran ductilidad y es resistente a la corrosión.

• El aluminio es ligero, duradero, resistente y tiene buenas propiedades térmicas.

• El acero para herramientas es un material duro y resistente a los arañazos que puedes usar para imprimir herramientas de uso final y otras piezas que requieran una gran resistencia.

• Las aleaciones de níquel tienen una resistencia elevada a la tracción, la fluencia, y la rotura. También son resistentes al calor y a la corrosión.

En comparación con las impresoras 3D de plástico, la impresión 3D del metal es considerablemente más cara y compleja, lo que impide que la mayoría de los negocios pueda acceder a ella.

Por otro lado, la impresión 3D SLA es adecuada para procesos de trabajo de fundición que produzcan piezas de metal a bajo coste, con una mayor libertad de diseño y en menos tiempo que con los métodos tradicionales. 

Otra alternativa es el galvanizado de las piezas de SLA, que conlleva revestir un material de plástico en una capa de metal mediante la electrólisis. Esto combina algunas de las mejores cualidades del metal (tenacidad, conductividad eléctrica y resistencia a la corrosión y la abrasión) con las propiedades específicas del material principal (normalmente plástico).

Con todos estos materiales y opciones de impresión 3D disponibles, ¿cómo sabemos cuál es la elección correcta?

He aquí nuestro sistema de tres pasos para elegir el material de impresión 3D y la impresora 3D de plástico más adecuados para tu proyecto.

Los plásticos usados para la impresión 3D tienen diferentes características químicas, ópticas, mecánicas y térmicas que determinan cómo rendirán las piezas impresas en 3D. A medida que el uso previsto se acerca a un uso en el mundo real, los requisitos de rendimiento aumentan en consecuencia.

Cuando hayas identificado los requisitos de rendimiento para tu producto, el siguiente paso es traducirlos en requisitos del material. Las propiedades del material satisfarán esas necesidades de rendimiento. Normalmente encontrarás estas medidas en la ficha técnica del material.

Para tener aún más detalles sobre las propiedades de los materiales, lee nuestra guía sobre las propiedades mecánicas y térmicas más comunes.

Cuando traduces los requisitos de rendimiento en requisitos de materiales, lo más probable es que acabes con un solo material o un grupo pequeño de materiales que podrían ser adecuados para tu aplicación. 

Si hay varios materiales que cumplen tus requisitos básicos, puedes examinar una gama más amplia de características deseadas y considerar las ventajas, los inconvenientes y cómo se compensan en los materiales y procesos dados para realizar la elección final.