Impresoras 3D

Las propiedades mecánicas de los materiales termoplásticos impresos en 3D se han explorado bastante bien en este momento. Seguro que siempre hay margen de mejora … gradualmente, con el tiempo, los investigadores crearán nuevas mezclas de polímeros o nuevos plásticos rellenos, y habrá ganancias incrementales en resistencia.

Eventualmente, los materiales poliméricos de ingeniería serán comparables a ciertos metales en términos de peso y resistencia. Todo bien.

Pero hay más en los polímeros impresos en 3D que una mera resistencia específica.

Varias empresas han estado jugando con las propiedades eléctricas de las materias primas, durante un tiempo, con la intención de hacerlas conductoras y disipadoras de estática.

En esta publicación, analizaremos los materiales disipadores de estática o los llamados materiales seguros contra descargas electrostáticas .

ESD, o descarga electrostática, es la descarga de electricidad entre un objeto cargado estáticamente (como su mano) y otro objeto de diferente potencial, como el pomo de una puerta de metal.

Sabes lo que sucede a continuación: tocas el pomo de la puerta y te das un golpe.

Si eso sucede todos los días durante un año en un aula, entonces puede dejar un miedo pavloviano a los pomos de metal (hablando por experiencia).

Los seres humanos pueden comenzar a sentir ESD en la piel alrededor de 2000-3000 voltios. Obviamente la corriente es insignificante, de lo contrario te mataría.

Sin embargo, los componentes electrónicos pequeños, como los transistores de un circuito integrado, pueden ser completamente destruidos por descargas electrostáticas con voltajes inferiores a solo 10 voltios de electricidad estática.

Eso sin mencionar los arcos causados cuando un objeto cargado estáticamente intenta conectarse a tierra a través de un espacio de aire. Realmente no quieres que estas chispas vuelen mientras llenas tu tanque de combustible con gasolina.

Ambas y otras razones explican por qué los diseñadores e ingenieros de productos necesitan plásticos seguros contra ESD. Protegen los componentes electrónicos sensibles a ESD durante la fabricación y evitan que las estaciones de servicio exploten.

En términos de materiales seguros contra ESD, se pueden dividir en dos grupos principales.

Estos son materiales conductores y disipadores de estática .

Los conductores tienen baja resistencia eléctrica y pueden transferir carga eléctrica a través del material a granel o sobre la superficie. En la aplicación ESD, se utilizan en aquellas pulseras ESD que usa en su muñeca y conecta a tierra. También se utilizan en las placas sobre las que se para al entrar en un área controlada por ESD, como en una fábrica de productos electrónicos.

Materiales conductores frente a materiales disipadores de estática

Los materiales conductores tienen una resistencia eléctrica muy baja, lo que permite que los electrones fluyan fácilmente a través de su superficie o a través de la mayor parte del material. La carga fluye rápidamente de un conductor a otro.

Con materiales disipadores de estática, la carga fluye más lentamente. Cuando ocurre un arco, lo hace a una velocidad más lenta y con menor energía cuando intenta llegar al suelo.

Los plásticos son aislantes. Mantienen la carga y tienen una alta resistencia eléctrica. Para tener un camino a tierra, se deben agregar rellenos conductores al material para que sea disipativo.

Para ser clasificado como un material seguro contra ESD, la resistencia de la superficie de ese material debe estar dentro del rango de 10 ⁵ Ω y 10 ¹¹ Ω. Si es menor que ese rango, es conductor. Si es más, entonces es un aislante.

Aquí hay algunos materiales diferentes que están diseñados para aplicaciones ESD que cubren los principales métodos de impresión de plástico.

Materiales extruidos

Si lo suyo es la deposición de filamentos, entonces tiene muchas opciones para filamentos seguros contra ESD.

La mayoría de ellos modifican la resistencia de la superficie mediante la adición de alguna forma de carbono.

Los materiales seguros contra descargas electrostáticas (ESD) están disponibles en una amplia variedad de diferentes sabores de polímeros, incluidos nailon de alta temperatura, TPU y policarbonato. Ultimaker tiene una excelente descripción general de los materiales seguros contra ESD que también se prueban en sus máquinas, aquí mismo .

Materiales sinterizados

Las materias primas de plástico sinterizado compatibles con ESD son menos numerosas que sus homólogos de filamentos extruidos. Pero todavía están disponibles comercialmente para cualquiera que posea una máquina SLS capaz de imprimir plásticos.

La empresa de plásticos Igus tiene un material sinterizado llamado iglidur I8-ESD, por ejemplo. Tiene una alta resistencia a la abrasión y es disipador electrostáticamente. Según el sitio web, es compatible con la mayoría de las máquinas SLS.

Fotopolímeros

Parece haber una clara escasez de opciones en lo que respecta a resinas fotopoliméricas seguras contra ESD por alguna razón. Incluso Carbon no tiene nada en la lista.

Hay una empresa llamada 3DResyns que anuncia una variedad de resinas conductoras, y afirman en el sitio web que al agregar varias partículas conductoras y semiconductoras a su mezcla, pueden fabricar resinas fotopoliméricas seguras contra ESD según sus necesidades.

Además, hay una empresa llamada Fortify que fabrica una impresora híbrida DLP / compuesta , que tiene un par de opciones con respecto a los materiales seguros contra ESD.

Su proceso de impresión implica la deposición por capas normal, como se encuentra en un proceso de impresión de fotopolímero típico, pero con la adición de un tanque de mezcla que inyecta los aditivos en la resina base. A este proceso lo llaman Fabricación de compuestos digitales .

Además, el sistema tiene algo llamado «Fluxprint», que usa imanes para alinear las partículas en la resina mientras se cura. Aparentemente, esto mejora la resistencia de las piezas.

Curiosamente, el sitio de Fortify dice que los aditivos funcionales deben distribuirse uniformemente para lograr propiedades consistentes del material. Su llamado proceso de mezcla cinética continua aborda este problema mezclando resina y aditivos constantemente, aliviando la sedimentación de las partículas de aditivos.

Aparte de estas dos empresas, no se encontraron más fabricantes de resinas vendiendo resinas ESD.

¿Por qué es esto?

Concluimos que puede deberse a un par de razones.

En primer lugar, puede ser simplemente como ha dicho Fortify. Quizás las resinas y los aditivos deban mezclarse constantemente para imprimir correctamente, de ahí que nadie lo haga.

O simplemente podemos tener el término de búsqueda incorrecto en Google.

Si alguien sabe la respuesta de por qué hay tan pocas resinas fotopoliméricas seguras para ESD disponibles, háganoslo saber en los comentarios.

Y mientras tanto, si necesita algo impreso que sea seguro para ESD, entonces tendrá mucha más suerte con las impresoras de extrusión de filamentos o los plásticos de fusión en polvo.

En el próximo artículo, veremos las opciones de materias primas conductoras. Esos son los materiales con una resistencia superficial de menos de 10 ⁵ Ω.

La semana pasada echamos un vistazo a los materiales seguros contra ESD para la impresión 3D . Estos son materiales que son seguros contra descargas electrostáticas y tienen usos principalmente en la fabricación de productos electrónicos.

En este artículo, analizaremos compuestos poliméricos con una resistividad superficial más baja, en otras palabras, materias primas para impresión 3D eléctricamente conductoras.

Los materiales conductores tienen una resistividad superficial de menos de 1 x 10 ⁵ Ω / sq. Esto se compara con los materiales disivativos (ESD) que se encuentran en el rango de 1 x 10 ⁵ Ω / sq a 1 x10 ¹¹ Ω / sq.

Los conductores permiten que la electricidad fluya y, por lo tanto, tienen un montón de usos potenciales, que van desde circuitos impresos en 3D, tecnología portátil y tal vez incluso algún día, sustratos conductores para galvanoplastia.

Aquí hay algunas opciones para usted, dependiendo del tipo de proceso de fabricación aditiva que esté utilizando.

Materiales extruidos

Durante un tiempo, los filamentos han estado disponibles en forma conductora. De manera similar a los materiales ESD, la conductividad generalmente tiende a manipularse mediante la adición de alguna forma de carbono a la materia prima durante la fabricación del filamento.

Hay muchas empresas más pequeñas que ofrecen estos filamentos conductores, pero, curiosamente, no vemos mucho de las empresas más grandes.

Los fanáticos de los termoplásticos más resistentes como ABS, TPU y PC estarán encantados de saber que hay muchas opciones para las variantes conductoras de este polímero. Una búsqueda en Google del término «filamento conductor X» (siendo «X» su termoplástico de elección) producirá una selección bastante amplia para elegir.

Materiales sinterizados

Cualquiera que tenga acceso a una máquina SLS se alegrará de saber que hay opciones disponibles (y en desarrollo) para aquellos que disfrutan de la sinterización.

Actualmente se está investigando la adición de rellenos metálicos como el cobre y el aluminio también.

Hay una variedad de métodos involucrados en la fabricación de materiales SLS conductores de electricidad. Muchos involucran la mezcla de carbono en la materia prima, mientras que otros se enfocan en cubrir las partículas reales con un relleno conductor, como puede ver en la imagen a continuación.

Una gran cantidad de investigación se centra en la forma y el tamaño de las partículas de aditivo (por ejemplo, esféricas frente a escamas), para determinar los parámetros óptimos para una unión exitosa y una mayor conductividad eléctrica.

Fotopolímeros

Similar a los materiales ESD de la semana pasada, la selección de resinas conductoras es menor que las materias primas de extrusión y sinterización. La semana pasada señalamos que mezclar partículas de carbono en una resina puede provocar que el contenido se asiente, lo que puede requerir una mezcla constante inmediatamente antes de imprimir.

Esta es una posible explicación para la pequeña selección de estas resinas disponibles.

Si bien no hay muchas opciones para materiales conductores de impresión SLA / DLP disponibles comercialmente, varias universidades de todo el mundo están investigando las resinas conductoras, por lo que existe la posibilidad de que el mercado crezca, una vez que los fabricantes eliminen las arrugas, sean las que sean. .

Este equipo de la Universidad de Yeungnam, Corea del Sur, por ejemplo, ha fabricado una solución de resina de poliacrilato con aditivos de nanofibra de polianilina y grafeno, para mejorar la conductividad.

Otro equipo , del Instituto de Tecnología de Georgia y la Universidad Xi’an Jiotong, ha mezclado nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWCT) con resinas y ha demostrado que muestran conductividad. De hecho, se ha demostrado que estas resinas de investigación son muy útiles, habiéndose demostrado que son útiles para compuestos con memoria de forma activados eléctricamente.

Pensamientos finales

Entonces, esas son básicamente sus opciones en lo que respecta a materiales de polímero conductores. La mayoría de los productos implican la adición de alguna forma de carbono (típicamente grafeno) para cambiar la resistividad de la superficie, pero estamos viendo que los investigadores agregan metales a las materias primas SLS para mejorar la conductividad.

Por supuesto, si desea algo verdaderamente conductor, será mejor que se quede con materiales metálicos . Los plásticos son excelentes para aislar y no tan malos para la protección ESD, pero para la conductividad, no son tan buenos.

Vale la pena recordar que, si bien un polímero conductor puede ser 10 ^ 10 veces más conductor que un filamento no conductor, sigue siendo 10 ^ 10 veces MENOS conductor que el cobre .

Así que tenga esto en cuenta al comprar un material de polímero conductor, y en caso de duda… lea siempre la hoja de datos.

Markforged ha publicado un informe que destaca una gran cantidad de estudios de casos de usuarios de su gama de máquinas, tanto de compuesto de carbono como de impresión indirecta de metal. Echemos un vistazo a un ejemplo de carburador heredado.

La capacidad de reproducir piezas heredadas y obsoletas siempre ha sido un fuerte punto de venta de la impresión 3D. En ciertas industrias, el ciclo de vida del producto puede durar décadas. Mientras tanto, puede suceder que fabricantes de equipos originales quebran o cierren fábricas, se eliminan las herramientas y la experiencia desaparece en el éter.

Lo mismo puede decirse de los coches clásicos. Afortunadamente, con las tecnologías actuales, puede resucitar elementos que se han perdido en el tiempo.

Carburador para un coche de carreras clásico.

En el caso de Tecron , consultores de ingeniería con sede en la República Checa , se les pidió que fabricaran un carburador para un automóvil de carreras clásico.

La creación de trayectorias de herramientas para fresar con CNC una réplica exacta habría llevado mucho tiempo, especialmente para una pieza de bajo volumen. Tal vez para una producción más grande hubiera sido una decisión más fácil: más piezas vendidas significa menos costo por pieza.

Pero ese no fue el caso, por lo que Tecron recurrió a un sistema de metal Markforged para completar el trabajo.

Armados con las especificaciones originales, reprodujeron la pieza en una «plataforma de diseño basada en la nube» (OnShape, por el aspecto de la imagen de arriba) no solo la reprodujeron, sino que lograron reducir el costo de la pieza teórica original en ⅓, simplemente aplicando los principios de DfAM . Encuentra la diferencia en las dos imágenes una al lado de la otra de arriba. El de la izquierda es el original y el de la derecha es la versión DfAM. Tenga en cuenta que hay algunas características ausentes en la imagen de la derecha. ¡Ausentes porque eran redundantes!

En la imagen de abajo, puede ver tres versiones del carburador. El de la izquierda es la parte original. El del medio es la copia impresa en 3D exacta. Y el de la derecha es el optimizado para impresión 3D.

El carburador se imprimió con el material de acero inoxidable 17-4 PH de Markforge, que según la compañía es el 95% de la resistencia del equivalente forjado a los mismos niveles de tratamiento térmico.

Y, por supuesto, el artículo terminado se puede mecanizar para crear esas caras de acoplamiento lisas necesarias para atornillar el carburador al colector.

¿Funcionó el carburador impreso? Bueno, supongo que sí. Entró en el informe sin un obituario adjunto, ¡así que supongo que todo está bien!

Pensamientos finales

Parece que Markforged realmente está incursionando en la fabricación útil, especialmente con el sistema Metal X.

Visité el lanzamiento de Metal X aquí en Filipinas hace unos meses, y debo admitir que las piezas mecanizadas terminadas son resistentes, atractivas y, a primera vista, indistinguibles de las piezas mecanizadas.

Con suerte, pronto lanzarán una materia prima de aluminio. El acero es un poco pesado para mis necesidades, lamentablemente.

Pero dado el bajo costo de fabricación de estas piezas de acero, estoy seguro de que podría encontrar algo divertido de construir. No es una gran pérdida financiera solo para tontear.

Imágenes cortesía de Markforged

Cuando los ingenieros del Instituto de Estructuras y Diseño del Centro Aeroespacial Alemán (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, o DLR) se encargaron de diseñar el cabezal del inyector del motor de cohete líquido para el proyecto Horizonte 2020 de la Unión Europea llamado SMall Innovative Launcher para Europa (SMILE Project), recurrieron a la impresión 3D sabiendo que podría manejar fácilmente el complejo diseño.

En cohetería, el combustible sólido es un propulsor común porque se quema de manera más predecible que los combustibles líquidos y puede almacenarse durante largos períodos sin mucha degradación. Los cohetes modernos han adoptado la reutilización, y dado que los combustibles sólidos causan un daño significativo al cohete, los combustibles líquidos son la opción preferida para los cohetes reutilizables de hoy. La restauración y reutilización de cohetes permite que DLR ofrezca opciones más rentables para pequeños lanzadores de satélites. Pero la reutilización tiene el costo de una mayor complejidad, razón por la cual el equipo recurrió a AM.

Los gerentes del equipo de DLR Markus Kuhn e Ilja Müller se asociaron con el Centro de Innovación del Cliente (CIC) de 3D Systems en Lovaina, Bélgica, para diseñar el cabezal del inyector. “Basado en el éxito de las iniciativas relacionadas con el espacio que involucran DMP (Direct Metal Printing), pensamos que 3D Systems era perfectamente adecuado para proporcionar los aspectos de diseño para la fabricación del cabezal del inyector, con la vista puesta en nuevas posibilidades para la integración de sensores y combustible. y distribución de refrigerante ”, dijo Kuhn. Al imprimir en 3D el cabezal del inyector, lograron reducir las piezas del ensamblaje de 30 a 1, logrando una reducción de peso del 10%. El componente monolítico no solo es más rígido y ligero, sino que también incluye canales de enfriamiento que mejoran la eficiencia y la propulsión. Como está impreso en LaserForm Ni718 (A), una aleación de Inconel, es resistente a la oxidación y la corrosión. Eso es especialmente importante porque la cabeza del inyector es donde el combustible y el oxidante ingresan a la cámara de combustión. El material se comporta bien a temperaturas criogénicas de hasta 700 ° C, lo cual es igualmente importante ya que irá al espacio.

Koen Huybrechts, ingeniero de proyectos de 3D Systems , sabía que su diseño tenía características que mejoraban el rendimiento y que solo podían producirse con una impresora 3D de metal de alta precisión, por lo que ayudó al equipo de DLR a elegir la tecnología ideal: impresión directa en metal.

Más allá de mejorar el rendimiento mecánico y térmico, la consolidación del cabezal del inyector en una sola pieza acortó drásticamente el tiempo de espera de producción al omitir el suministro y el ensamblaje de todas esas piezas diferentes. Los beneficios no terminan ahí. Sin las restricciones de diseño impuestas por los métodos de fabricación tradicionales, los ingenieros podrían implementar técnicas de inyección coaxial que optimizan la mezcla de oxidante y combustible a través de una forma de doble remolino. Tal forma sería casi imposible de fabricar sin la impresión 3D.

Las simulaciones computacionales indicaron que el diseño produjo eficiencias favorables de mezcla y combustión, y las pruebas de fuego caliente de la pieza impresa mostraron los mismos resultados, validando tanto la precisión de la simulación de diseños imprimibles en 3D como la funcionalidad del propio cabezal del inyector impreso en 3D. Müller no se anda con rodeos sobre los beneficios de utilizar AM para este proyecto, afirmando: «Creemos que podemos decir con seguridad que las funcionalidades integradas del cabezal del inyector impreso en 3D son superiores y los tiempos de producción y costes más bajos en comparación con el estado de piezas equivalentes de última generación fabricadas mediante métodos convencionales «.

Imágenes cortesía de 3D Systems

Durante las últimas semanas, hemos estado analizando varios polímeros con funciones de ingeniería adicionales.

Hasta ahora, hemos analizado aquellos con propiedades eléctricas alteradas, como materiales conductores de electricidad y materiales seguros para ESD . Estos materiales tenían varios niveles de resistividad superficial que permitían que la carga fluyera a través del material a diferentes velocidades.

De manera análoga a los materiales conductores de electricidad en el dominio termodinámico, se encuentran los materiales conductores de calor. Son materiales que permiten la conducción de calor a través de su cuerpo.

¿Cual es el punto de eso? Para transportar el calor de un lugar a otro. Un disipador de calor es un gran ejemplo de este principio.

Materiales extruidos

Comenzando con los materiales extruidos, hay algunas opciones disponibles. Una empresa en particular se destaca, ya que afirman tener un material que es 50 veces más conductor térmico que los filamentos estándar.

TCPoly tiene lo que dicen ser el filamento más conductor térmico del planeta.

El material se llama Ice9 (porque es útil para enfriar cosas) y es un filamento termoplástico con 8 W / mK de conductividad térmica disponible en el mercado.

Sin embargo, si realmente imprime algo con él, puede aumentar hasta 15 W / mK. ¿Por qué cambia?

Porque conductividad térmica = K = (QL) / (AΔT)

Dónde,

• – K es la conductividad térmica en W / mK
• – Q es la cantidad de calor transferido a través del material en julios / segundo o vatios
• – L es la distancia entre los dos planos isotérmicos
• – A es el área de la superficie en metros cuadrados
• – ΔT es la diferencia de temperatura en Kelvin

Como puede ver, hay un par de variables relacionadas con la geometría de la pieza (L & A), y alterarlas afecta directamente el valor de K.

Para darle una ilustración de cuán térmicamente conductores son sus materiales, son tan térmicamente conductivos como el acero inoxidable pero con la mitad de la densidad del aluminio. ¡Frio!

Más búsquedas en esta área pueden llevarlo a una empresa llamada Tiamet3D , que tiene un filamento llamado Ultra Diamond PLA que es, según su propio sitio web, un filamento basado en PLA con nanodiamantes industriales.

Su propaganda de producto afirma que Ultra Diamond PLA tiene «alta transferencia térmica: 3x-5x más que el PLA estándar».

El PLA tiene una conductividad térmica de aproximadamente 0,13 W / (m * K). ABS normal 0,25. El acero tiene entre 10 y 50 W / (m * K), dependiendo de la aleación y otros factores.

Materiales sinterizados

Al igual que los materiales modificados eléctricamente de los últimos artículos, los polvos AM no sufren el problema de sedimentación / flotación debido a las diferentes densidades, ya que las partículas de polvo individuales tienden a recubrirse, lo que permite una distribución uniforme de los polvos en la cámara de polvo.

Curiosamente, debido a los efectos geométricos y dimensionales de una pieza sobre la conductividad térmica, los artículos impresos con polvos en sistemas de tipo SLS pueden tener su conductividad térmica modificada simplemente alterando la densidad de empaque del polvo antes de sinterizarlo.

Una parte sólida conducirá el calor mejor que una espuma hecha de la misma sustancia.

Para ampliar ese concepto, este equipo de investigación ha demostrado que la mayor influencia en la conductividad térmica del polvo de poliamida 12 es la unión entre partículas. El empaque de mayor densidad significa un mejor contacto entre las partículas y una mejor unión.

Este otro equipo de investigación se ha basado en investigaciones anteriores sobre el recubrimiento de poliamida 12 con CNT (nanotubos de carbono) y confirmó que la adición de CNT aumenta marginalmente la conductividad térmica.

Fotopolímeros

Al igual que con los otros materiales funcionales que analizamos en los artículos anteriores, si está buscando una resina termoconductora, es posible que tenga que esperar un poco todavía.

Las mismas limitaciones que detienen las resinas conductoras eléctricas están en juego cuando se trata de resinas conductoras térmicas. Es decir, los aditivos tienden a asentarse, lo que significa que cualquier fotopolímero que se utilice con partículas añadidas físicamente (a diferencia de las partículas unidas químicamente) necesitará mezclarse hasta y posiblemente durante el proceso de impresión SLA / DLP.

Eso no quiere decir que no haya resinas conductoras térmicas en el horizonte. Actualmente todavía se encuentran en la fase de investigación por el momento.

Este artículo analiza la adición de nanocargas de arcilla Halloysite a la resina para aumentar la conductividad térmica de los moldes de plástico utilizados para el moldeo por inyección. La gestión térmica de los moldes es fundamental para extraer el calor del plástico fundido con el fin de reducir la deformación diferencial.

Hay otros equipos que trabajan con la adición de partículas de cobre, pero nuevamente, el mismo problema probablemente evitará que esta investigación se convierta en la corriente principal en el futuro inmediato.

Pensamientos finales

Como puede ver, en términos generales, los plásticos no son buenos para conducir el calor, aunque hay algunos valores atípicos que muestran que son posibles impresiones de plástico comparables a algunas aleaciones.

En su mayor parte, los plásticos están muy por debajo de lo que ofrecería una pieza de metal en términos de transferencia de calor.

Al igual que con los materiales anteriores que examinamos en las últimas semanas, parece que la gama más amplia de materiales conductores térmicos está disponible para quienes tienen impresoras 3D de deposición de filamentos , lo que no es sorprendente dada la proliferación de impresoras de filamentos que existen.

Y, naturalmente, debido a la naturaleza de la extrusión de filamentos, cuya materia prima conserva su forma y distribución de aditivos hasta que se extruye, es más fácil imprimir estos materiales con repetibilidad y mantener una calidad constante. Dicho esto, queda un largo camino por recorrer antes de que los filamentos puedan igualar los metales en términos de conductividad térmica.

Pero como puede ver, hay investigaciones en curso sobre otros métodos de impresión para materiales térmicamente conductores, así que espere que lleguen nuevos materiales al mercado en el futuro.