Robin Conrad

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Elastómeros en impresión 3D

La tecnología de impresión 3D se originó en la década de los 80 y, aunque en un inicio se usaba para generar prototipos rápidos, esta tecnología de manufactura aditiva se ha desarrollado muy rápido.  Hoy en día las compañías se valen cada vez más de la impresión 3D para producir componentes para los usuarios finales. En un futuro cercano, será incluso posible usar impresoras 3D para la fabricación de productos conforme a las especificidades de los clientes a una escala industrial.

Aparte de ofrecer beneficios exclusivos de manufactura, la impresión 3D es un proceso de producción sustentable pues minimiza los residuos. A diferencia de la manufactura sustractiva, la manufactura aditiva (impresión 3D) usa solo la cantidad necesaria de material. Asimismo, los residuos plásticos se pueden reciclar y usar para fabricar nuevos productos.

Para aplicaciones que requieren propiedades similares al caucho, la industria de manufactura con frecuencia usa elastómeros termoplásticos (TPE) para la impresión 3D. Últimamente, los elastómeros termoplásticos también se usan en la manufactura aditiva como una adición a los materiales principales de impresión (como PLA y ABS). Este tipo de elastómeros se puede usar para hacer productos de consumo, equipo deportivo y electrónicos, así como componentes para la industria automotriz y de construcción. Los TPE son recomendables para usarse como elastómeros de impresión 3D en el proceso de modelado de deposición fundida (FDM) de filamento, manufactura aditiva con pellets (PAM) y como polvo en el proceso de sinterizado selectivo por láser (SLS). El poliuretano termoplástico (TPU) es una subcategoría del TPE. Como otros TPE, preferiblemente puede ser procesado en forma de filamento o granulado.

Los TPE son ideales para aplicaciones que requieren flexibilidad, durabilidad y resistencia. La impresión 3D con TPE es menos costosa, en comparación con otros materiales, por ejemplo, la impresión de silicona, y más adecuada para aplicaciones industriales a gran escala. Los TPE pueden ser usados tanto para prototipos como para la manufactura de componentes para usuarios finales. Los productos de Kuraray son particularmente adecuados para un mayor procesamiento de PLA, acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) y policarbonato (PC).

En la manufactura aditiva, los elastómeros termoplásticos se usan para soluciones avanzadas de impresión 3D.
Impresora Micro 3D en acción: Los elastómeros para impresión 3D fomentan la innovación para un mejor rendimiento en la ingeniería mecánica.

Tipos de impresión 3D

La impresión 3D hace referencia a varias tecnologías de manufactura aditiva donde los objetos se construyen capa por capa. Existen diversos materiales que se usan en estos procesos, incluido el metal, la arena, el papel y, con mayor frecuencia, los plásticos. Los tres métodos más comunes con relación a los elastómeros para impresión 3D son impresión FDM/PAM, SLA y SLS. La diferencia radica en el formato de los materiales alimentados a la máquina (líquido, fundido o polvo).

La impresión de filamento (FDM) y de pellet (PAM) son procesos de extrusión en los que los elastómeros para impresión 3D se funden para producir el producto final modelado. La impresión estereolitográfica (SLA) es un proceso de fotopolimerización en tanque, donde se deposita un líquido o una resina en capas para crear un objeto. El sinterizado selectivo por láser (impresión SLS) es una tecnología de fusión de capa de polvo donde se añade el polvo para producir un objeto.

Capa por capa: las impresoras de filamento 3D producen prototipos funcionales y específicos para los clientes.

Gama de productos de Kuraray para impresión 3D

La gama de productos de Kuraray incluye elastómeros termoplásticos para la industria que cumplen las especificaciones de clientes para manufactura aditiva. Estos materiales generan resultados confiables, incluso en condiciones difíciles de producción. Los elastómeros para impresión 3D de Kuraray gozan de excelente elasticidad, propiedades de amortiguación, transparencia y flujo, además de elasticidad mejorada de resina. Ciertos materiales se pueden usar también como modificadores de polímeros como el PLA. Las soluciones elastoméricas para impresión 3D de Kuraray tienen ventajas y algunos retos respecto al proceso de impresión.

Características y beneficios

  • Material suave y flexible
  • Mejora la resistencia al impacto y el flujo de PLA, ABS y PC
  • Alto grado de claridad
  • Mayor vida útil
  • Buena resistencia al impacto
  • Flujo y eficiencia mejorados
  • Propiedades de superficie suave al tacto

Limitaciones

Debido a las propiedades físicas, térmicas y mecánicas de los elastómeros para impresión 3D, el proceso de manufactura aditiva sigue siendo un reto.

Puntos a considerar al seleccionar la tecnología de impresión 3D más adecuada

Los criterios clave que deben considerarse al seleccionar la tecnología más adecuada para procesar elastómeros para impresión 3D son presupuesto, requerimientos mecánicos, alimentación del sistema, geometría de las partes y apariencia.

La impresión 3D puede ser la solución ideal para lotes pequeños, pero, por el contrario, otros procesos de manufactura pueden ser más adecuados para producciones a gran escala. Para componentes con geometrías complejas y funcionales, la impresión 3D es con frecuencia la única opción.

A fin de seleccionar el proceso más adecuado, es necesario considerar los beneficios y limitaciones de varias tecnologías a la luz de las especificaciones clave del producto. A continuación, encontrará un resumen detallado de los procesos más comunes de impresión 3D para los elastómeros.

Impresión de filamentos

El modelado de deposición fundida (FDM) es una tecnología de impresión 3D de escritorio muy usada para producir partes plásticas. En este proceso de impresión de filamentos, los elastómeros para impresión 3D son extruidos y depositados, capa por capa, en la plataforma de construcción. El FDM es adecuado para modelado rápido, no costoso y aplicaciones donde no se requiere un alto grado de precisión y calidad de superficie.

El modelado por deposición fundida es el método de impresión 3D más rentable para la manufactura de partes y prototipos termoplásticos conforme a las especificaciones de los clientes. La gran disponibilidad de esta tecnología reduce los tiempos de ejecución y entrega. Existe una amplia gama de materiales termoplásticos para aplicaciones de modelado y funcionales no comerciales. Sin embargo, el FDM es menos adecuado para partes complejas, ya que la resolución y la precisión son menores que en otras tecnologías de manufactura de aditivos. Asimismo, los objetos producidos con esta tecnología pueden tener estructuras superficiales visibles y por lo tanto requerir procesamiento posterior.

En general, entre más flexible sea la resina del elastómero, más lenta y difícil será la alimentación del proceso de impresión de filamentos.

Los elastómeros termoplásticos pueden mejorar las características y beneficios de un filamento para impresión 3D.

Cómo funciona el proceso de FDM:

  1. Se coloca un carrete de elastómeros para impresora 3D en la impresora. Este filamento de elastómero se calienta en el cabezal de extrusión a la temperatura deseada, después se alimenta al cabezal y la boquilla, donde se funde.
  2. El cabezal de extrusión se fija en un sistema de tres ejes. El material líquido es extruido a una hebra de filamento delgado que se deposita en capas predefinidas en una superficie, donde se enfrían y se solidifican. El enfriamiento se puede acelerar mediante un soplador en el cabezal de extrusión.
  3. Una vez que se completa una capa, se aplica la siguiente capa. El proceso se repite hasta que se complete la parte.
Representación esquemática de una impresora FDM

Elastómeros y PLA para impresión 3D

Los poliláctidos (PLA) son polímeros sintéticos usados para producir plásticos de base biológica a partir de recursos renovables como el almidón de maíz. El PLA es una materia prima biocompatible. Los filamentos de impresora 3D por lo general no se hacen por completo de PLA, sino que se hacen de mezclas de PLA, que contienen aditivos que les brindan las propiedades requeridas.

Kuraray comercializa KURARITY™, un producto que puede usarse para modificar las resinas polares como PLA y PC/ABS.

A la hora de decidir si usar PLA para las soluciones de impresión 3D, las ventajas de este filamento sobrepasan sus limitaciones. Los elastómeros para impresión 3D de Kuraray pueden usarse para lograr un filamento que permita las siguientes características:

Características y beneficios

  • Alto nivel de resistencia al impacto
  • Buenas propiedades a baja temperatura
  • Adecuado para la mezcla de biocomponentes
  • De base biológica, producidos de recursos renovables
  • No hay emisión de gases durante la impresión
  • No hay deformación

Limitaciones

Los objetos producidos tienen propiedades mecánicas limitadas.

Impresión de pellets

La diferencia entre la impresión de filamento y la impresión de pellets es el tipo de proceso de extrusión. En la impresión de filamentos, se alimenta un elastómero base mediante un mecanismo. Esto aplica presión para presionar los elastómeros para impresión 3D mediante un bloque calentador, donde se mezcla para que pueda ser extruido mediante la boquilla. En los extrusores de pellets, los pellets se alimentan mediante una tolva a un cilindro con varias zonas de calentamiento. Un mecanismo de tornillo activado por un motor lleva los pellets a través del cilindro a la boquilla extrusora.

Los pellets de elastómeros 3D resaltan la rentabilidad de los procesos de impresión de filamento.

Características y beneficios

  • Mayor velocidad de producción/deposición
  • Mucho mayor opción de materiales, en especial materiales muy blandos
  • Los pellets tienen un índice de rendimiento y precio mejorado en comparación con los filamentos regulares
  • Es posible producir partes más grandes

Impresión SLA

La estereolitografía (impresión SLA) es un proceso industrial común para los elastómeros de impresión 3D. Sus principales características son detalles precisos, superficies suaves, rangos reducidos de tolerancia y buenas propiedades mecánicas, como resistencia a la intemperie, isotropía y flexibilidad. Los objetos terminados tienen una estructura superficial de gran calidad.

Este proceso es muy usado en el sector médico/dental, por ejemplo, para producir modelos anatómicos. También se usa para producir moldes para producción masiva, como juguetes y joyería.

La impresión SLA utiliza una estructura de soporte para hacer posibles objetos 3D de elastómeros detallados.

Características y beneficios

  • Producción de objetos de gran precisión con detalles complejos
  • Superficie muy lisa (ideal para prototipos visuales)
  • Existen materiales SLA especiales (por ejemplo, resinas claras, flexibles y para verter)

Limitaciones

  • Los objetos por lo general son frágiles, por lo que no son adecuados para prototipos de funcionamiento como otras técnicas de impresión 3D
  • La apariencia y propiedades mecánicas de los objetos se deterioran con el tiempo si se exponen a la luz solar
  • Se requieren estructuras de soporte
  • Se requiere procesamiento posterior

Cómo funciona la impresión SLA:

Una impresora SLA común de escritorio contiene un láser ultravioleta para curar cada capa del componente creado de un tanque, el cual contiene una resina sensible a la luz. Cuando el rayo láser UV toca la resina, el líquido se cura.

Con cada paso del láser se crea una capa muy delgada del objeto, la cual se adhiere a la capa anterior (o a la plataforma de construcción) y a la base del tanque. Después la plataforma de construcción desciende en función del grosor de la capa, hasta completar el proceso de producción.

Representación esquemática de una impresora SLA

Impresión SLS

En comparación con la impresión SLA, el sinterizado selectivo por láser (impresión SLS) se encuentra todavía en desarrollo para superar sus limitaciones técnicas respecto a los elastómeros para impresión 3D. Aún si la impresión SLS es una tecnología común en la industria, los procedimientos de hoy en día tienden a aglomerar los polvos base del TPE, pero en un futuro cercano, el procesamiento SLS, que cumple las normas de alta calidad de los fabricantes, también estará disponible para los elastómeros para impresión 3D.

Características y beneficios

  • Producción de partes funcionales y prototipos que requieren buenas propiedades mecánicas
  • El proceso de impresión no requiere estructura de soporte, lo cual permite a los fabricantes diseñar objetos complejos
  • Gran estabilidad mecánica
  • Gran proporción de precio y rendimiento, incluso para lotes pequeños y medianos

Limitaciones

  • La impresión SLS requiere procesamiento posterior y acabado debido a la superficie polvosa y la porosidad interna
  • Dependiendo del tamaño y grosor de un objeto, el exceso de sinterizado puede causar la pérdida de pequeños detalles o huecos
  • Debido al proceso de sinterizado, es más probable que ocurra contracción y deformación, dependiendo de la geometría del objeto

Cómo funciona la impresión SLS:

Un polvo se calienta por debajo del punto de fusión de los elastómeros para impresión 3D. El láser escanea una muestra del modelo 3D y calienta el polvo al punto de fusión del material, de tal forma que el polvo se funde junto con un objeto sólido. Entonces la plataforma se mueve hacia abajo una capa a un contenedor o build chamber y la nueva capa se sinteriza de forma análoga. Esto se repite hasta que se funde la última capa. Hasta entonces, el polvo no fundido soporta el objeto impreso, por lo cual no se requiere una estructura adicional de soporte. Después, el objeto se enfría en la build chamber o contenedor.

Representación esquemática de una impresora SLS

Impresión 3D – Oportunidades con la KURARAY LIQUID RUBBER

Los grados curables por UV de KURARAY LIQUID RUBBER, UC-102M y UC-203M, pueden usarse para impresiones muy suaves o como modificadores de fotoresinas de acrílico o uretano para mejorar la resistencia al impacto de las partes acabadas.

Estos grados curables por UV tienen un excelente rendimiento, en especial:

  • Buenas propiedades a baja temperatura (Tg baja)
  • Bajo índice de contracción
  • Buena absorción de humedad y resistencia a la permeabilidad
  • Suficientes propiedades de aislamiento
  • Suficientes propiedades adhesivas
Resumen de las técnicas de impresión 3D permitidas por los productos de Kuraray

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