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Los compuestos de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP) son excelentes. Siempre que estén fabricados con fibras continuas.

Cuando comienza a cortar estas fibras de carbono y mezclarlas con una base termoplástica, se pierden la mayoría de los beneficios de una estructura CFRP. En el caso del filamento de fibra cortada, la fibra ya no soporta la carga … la matriz de polímero más débil sí. La fibra de carbono es efectivamente un relleno.

Por eso, cualquier nuevo método de impresión 3D con fibras de carbono continuas nos interesa. Si va a imprimir con fibra de carbono, también puede obtener todos los beneficios, no solo el acabado.

Este nuevo método ideado por un equipo de investigación de la Universidad de Delaware ha demostrado un método para usar una matriz de polímero termoestable para sus compuestos impresos en 3D, a diferencia de las impresoras de compuestos anteriores que generalmente usaban polímero termoplástico como matriz.

¿Cuál es la diferencia entre termoestable y termoplástico, y por qué es importante? Te lo contamos.

Termoestable vs termoplástico

Para el beneficio de esta publicación, todo lo que necesitamos saber es que un termoplástico (como ABS) cuando se calienta, se derretirá. Y cuando se enfríe, se endurecerá. Este ciclo se puede repetir una y otra vez, y el polímero se puede volver a fundir y reformar muchas veces sin que se produzcan cambios físicos en el material.

Un plástico termoestable, en términos básicos, se solidificará permanentemente en un sólido cuando se enfríe. No es reversible.

Algunas aplicaciones de CFRP están bien con termoplásticos. Otros, que pueden estar expuestos a un rango más alto de temperaturas (aeroespacial), pueden requerir una matriz de polímero que no se derrita cuando se calienta, por lo que optan por sistemas CFRP termoendurecibles. Los termoestables también tienen una buena resistencia a la fatiga, lo que también es atractivo en aplicaciones aeroespaciales (y también artículos deportivos).

Actualmente, el 95% de los componentes de CFRP aeroespaciales utilizan preimpregnaciones termoendurecibles … así que puede ver que puede haber una demanda de impresión termoendurecible en ese mercado.

Impresión termoendurecible continua

El equipo de investigación del Centro de Materiales Compuestos ( CCM ) de la Universidad de Delaware reconoce esta necesidad de impresión CFRP termoendurecible, por lo que ha desarrollado su sistema de impresión 3D asistida térmica en plano localizado (también conocido como «LITA»). Utiliza un cabezal de impresión único y un brazo robótico automatizado. Con este sistema, el equipo puede guiar las fibras en la forma requerida y guiar el flujo del polímero líquido manipulando la temperatura de las fibras con un calentador Joule. Esto permite que la resina termoendurecible fluya y se absorba en los canales entre las fibras, antes de curar para crear estructuras 3D resistentes y térmicamente estables.

El equipo ha publicado un artículo sobre su método, titulado “Fabricación aditiva dinámica capilar de compuestos continuos de fibra de carbono”, que debería darle alguna indicación del mecanismo que funciona aquí.

En términos técnicos, según el artículo:

“El concepto subyacente de la técnica LITA se basa en un efecto capilar continuo o mecha, que se habilita mediante un gradiente térmico en movimiento a lo largo de las superficies de la fibra de carbono, para facilitar el flujo de polímero líquido en el espacio en forma de tubo entre las fibras de carbono vecinas seguidas mediante el curado de la resina de polímero de las superficies de las fibras calentadas al espacio circundante «.

Los compuestos de CFRP fabricados tradicionalmente requieren muchas horas de poscurado. El curado rápido controlado del sistema LITA no lo hace y, por lo tanto, se obtienen enormes ahorros de energía mediante el uso de este sistema.

Además, el CFRP tradicional está limitado hasta ahora en términos de las geometrías permitidas por el proceso. Este proceso, si se desarrolla más, puede encontrar uso en la industria aeroespacial, automotriz, de artículos deportivos o en cualquier otra industria que requiera componentes ligeros, rígidos y resistentes a la fatiga que no se derritan durante las operaciones.

Hace un par de meses echamos un vistazo a una gama de materiales de impresión 3D con varias propiedades eléctricas y térmicas.

Los artículos se centraron en el uso de materias primas conductivas y de fabricación aditiva disipadoras de estática para una variedad de tecnologías de impresión 3D diferentes (pero principalmente filamentos). Resulta que es bastante fácil agregar un montón de fibra de carbono picada a un filamento y cambiar la conductividad del material.

Como recordatorio, los materiales conductores tienen baja resistencia eléctrica, por lo que la carga fluye rápidamente de un conductor a otro. Con materiales disipadores de estática, la resistencia es mayor y la carga fluye más lentamente, reduciendo el impacto de las descargas en materiales sensibles.

Uno de los artículos de la serie corta se centró en los materiales ESD (disipadores electrostáticos), que controlan la velocidad a la que se libera la carga del material.

Esto es especialmente útil para el diseño y fabricación de componentes electrónicos sensibles que pueden ser destruidos por descargas electrostáticas no mitigadas.

Bueno, solo un mes después de que publicamos esos artículos, ALM ha anunciado una nueva materia prima de polímero en el mercado que logra la resistividad superficial deseada sin usar aditivos de fibra de carbono (como nuestros ejemplos anteriores), y en su lugar usa grafito para modificar la conductividad.

La materia prima se llama PA 830-ESD12, y como probablemente pueda adivinar por ese nombre en clave, es una poliamida (nailon-11) y es segura para ESD.
Es un polvo sinterizado, por lo que todos los usuarios de SLS de plástico ahora tienen una opción más si desean imprimir con materiales a prueba de ESD. Como se mencionó, hasta hace poco, la mayoría de las opciones para materiales ESD impresos en 3D estaban en forma de filamentos.

El material ha sido desarrollado entre Advanced Laser Materials y RPS , que se han asociado entre sí para el desarrollo de nuevos materiales para plataformas SLS desde 2010.

“Muchos de nuestros clientes han estado buscando un material SLS que brinde la calidad y seguridad necesarias para aplicaciones de descarga electrostática”, dijo Donald Vanelli, presidente de ALM.

«Hemos creado un material que permite una rápida escalabilidad, al tiempo que garantiza que las piezas se completen con un acabado perfecto y sean fáciles de mecanizar».

Puede ver un primer plano del acabado a continuación.

El polímero viene en negro (con copos de plata), tiene una resistencia a la tracción de 29 MPa, una densidad aparente de 0,49 g / cc y una densidad sinterizada de 1,1 g / cc, lo que lo hace comparable a un nailon estándar en términos de resistencia y peso.

Tiene una resistividad superficial de entre 2,4 x 10 ^ 3 Ω y 3,3 x 10 ^ 4 Ω cuadrados, lo que lo hace bastante conductivo y disipativo.

Los fabricantes de polvo tienen mucha experiencia en plásticos sinterizados de alto rendimiento, ya que ALM desarrolló el material de nailon relleno de fibra de carbono PA 603-CF similar para su uso en la Fórmula 1.

Apuntan este nuevo producto a quienes diseñan accesorios de ensamblaje en la industria de semiconductores, diseñadores de productos electrónicos y aplicaciones generales que requieren capacidades ESD.

Este nuevo material es compatible con todos los principales sistemas de impresión de plástico SLS, como los de 3D Systems , Farsoon, DTM y Prodways, y puede consultar la hoja de datos del material aquí mismo , si desea obtener más información sobre las otras propiedades del material. .

Hay innumerables ejemplos de impresoras 3D capaces de imprimir uno o dos polímeros. Pero, ¿y si desea imprimir algo más que termoplásticos? ¿Qué tal una impresora 3D que puede imprimir materiales completamente diferentes como metales, polímeros y cerámica de una sola vez?

Puede combinar los elementos resistentes al calor de una cerámica mientras su pieza es conductora de la electricidad de la misma impresión. Suena como algo muy útil. Probablemente haya un ejemplo de eso en alguna parte.

Inyección de materiales múltiples

Un equipo de investigadores del Instituto Fraunhofer de Tecnologías y Sistemas Cerámicos ( IKTS ) en Alemania ha desarrollado un sistema llamado Multi Material Jetting que puede imprimir múltiples materiales a través de un chorro de material súper preciso.

Primero, se hace una lechada con las partículas de metal / cerámica mezcladas con la base termoplástica. Las lechadas separadas se cargan en sistemas de microdosificación (MDS), cada uno de los cuales calienta la lechada hasta 100 grados centígrados, antes de microdosificar el chorro de material fluídico sobre la cama de impresión y formar un modelo 3D. A continuación, la parte verde acabada se saca y se sinteriza en un horno.

El MDS deposita tamaños de gotas de entre 300 y 1000 μm a velocidades de hasta 1000 gotas por segundo. Puede imprimir capas de alturas entre 100 y 200 μm. El tamaño máximo de piezas que se pueden fabricar actualmente es de 200 × 200 × 180 milímetros.

“En este momento, podemos procesar hasta cuatro materiales diferentes a la vez”, dice Uwe Scheithauer, investigador de Fraunhofer IKTS.

“El factor crítico aquí es la dosificación personalizada de las lechadas de metal o cerámica. Obtener la dosificación correcta es clave para garantizar que el producto final fabricado aditivamente adquiera las propiedades y funciones requeridas durante la sinterización posterior en el horno, incluidas propiedades como resistencia, conductividad térmica y conductividad eléctrica ”.

Un ejemplo de un componente que podría beneficiarse de las propiedades de los materiales mixtos es la cámara de combustión de un motor de satélite (u otra nave espacial).

Las cámaras de combustión se calientan mucho y, en el caso de los combustibles no hipergólicos, requieren una fuente de ignición. Cualquier sistema en una nave espacial agrega masa, por lo que cualquier oportunidad de eliminar o integrar aún más un sistema, puede potencialmente reducir la masa.

Colocando cuidadosamente las trayectorias eléctricamente conductoras de la pista de lechada dentro de la pieza cerámica, es posible producir una pieza acabada de una sola impresión que sea conductora (para el sistema de encendido) pero resistente al calor (para la pieza explosiva).

Y, por supuesto, la cerámica de ingeniería no solo se usa en el espacio.

Ofrecen una alta resistencia a las altas temperaturas, la abrasión y la corrosión, por lo que han encontrado utilidad en los dominios de la ingeniería mecánica, química, ingeniería energética y microelectrónica.

«También podríamos usarlo para hacer espacios en blanco para piezas de carburo, por ejemplo», dijo Scheithauer.

“Gracias a la tremenda precisión de los sistemas de dosificación, los contornos de los espacios en blanco ya estarían muy cerca de los del producto final. Por lo tanto, requerirían muy poco triturado posterior en comparación con los métodos convencionales. Esa es una gran ventaja cuando se trabaja con carburo «.

Hemos visto varias innovaciones de ciclismo relacionadas con la impresión 3D en los últimos años, como la impresión de marcos y cascos para aumentar la rigidez y reducir el peso. Ahora se ha establecido un récord mundial Guinness de bicicleta con la ayuda de AM: el prototipo de bicicleta eléctrica más ligero del mundo . El Freicycle pesa solo 6,87 kg y tiene un potente motor de 600 vatios.

Freicycle es una creación del ingeniero mecánico alemán Dr. Dennis Freiburg. Comenzó el proyecto hace varios años como corredor de escalada, reduciendo el peso al construir el cuadro con fibra de carbono. Más tarde, redujo aún más la masa cambiando la manivela y las llantas por fibra de carbono. Pero eso no fue suficiente. Freiburg probó y rompió varios pedales impresos en 3D antes de obtener el diseño correcto, diciendo «Siempre hay algo que se puede mejorar». Después de darse cuenta de que los pedales impresos eran más ligeros que cualquier otro que pudiera comprar, miró cada pieza de metal para ver si podía imprimirse en 3D. Las pinzas de freno fueron otro componente que también se terminó imprimiendo.

Hacer una bicicleta eléctrica generalmente agrega bastante peso porque los motores y las baterías son voluminosos y muy densos. Eso es especialmente cierto en el caso de los motores de cubo más populares, por lo que Freiburg optó por la tecnología de motor de accionamiento por fricción, mucho más antigua pero aún efectiva. Al montar un pequeño motor diseñado para helicópteros RC en la parte delantera de la rueda trasera, ese motor puede presionarse contra la rueda (fricción) para obtener potencia. En cuanto a las baterías, los requisitos para calificar para el récord establecen que la bicicleta debe estar equipada con un mínimo de 137 Wh de jugo; Freiburg colocó esa cantidad exacta de baterías en una botella de agua liviana y la adjuntó al marco con un portabotellas impreso en 3D. Para colmo, diseñó e imprimió una tapa para la botella que también sirve como interruptor de encendido y apagado / nivel de asistencia al pedal.

Aunque el Freicycle solo tiene una potencia de rango medio a 600 vatios, debido a que es tan liviano, puede alcanzar fácilmente velocidades de 48 km / h (30 mph) y viajar hasta 35 km (22 millas). Eso es el doble de la velocidad del límite de la UE para bicicletas eléctricas, por lo que está limitado electrónicamente cuando se encuentra en áreas públicas. Sorprendentemente, la bicicleta apenas cumple con el requisito de peso mínimo de 6,8 kg establecido por la organización de la UCI para calificar para eventos de carreras internacionales. La impresión 3D es tan ventajosa que puede hacer que las bicicletas sean demasiado livianas para calificar para las carreras. Los transeúntes están igualmente impresionados con la bicicleta, dice Freiburg, “en general, la gente no puede creer que sea una bicicleta eléctrica. Lo siguen levantando y diciendo locura lo ligero que es «.

Imágenes cortesía de Freicycle