Aunque en los últimos años se ha prestado mucha atención a la impresión 3D con polímeros y metales, hay una familia de materiales que ha experimentado un inmenso crecimiento en el campo de la fabricación aditiva: los materiales compuestos. Tan fuertes como el metal y tan livianos como muchos polímeros, los compuestos de impresión 3D FFF generalmente incluyen una matriz polimérica y rellenos como fibra de vidrio o carbono. Se han vuelto tan frecuentes que se espera que el mercado mundial de impresión 3D compuesta alcance los 490,47 millones de dólares en 2030, habiendo alcanzado ya un valor de 198,31 millones de dólares en 2023. Y la importancia de los compuestos para la impresión 3D también ha sido reconocida por el Instituto de Nuevas Tecnologías Industriales. Materiales en Dezhou (China).
Fundado en enero de 2021, el instituto se dedica a investigar, desarrollar y comercializar materiales compuestos para aplicaciones en sectores como el marítimo, las comunicaciones 5G, los procesos de fabricación avanzados y los equipos de alta gama. Es una “institución de I+D de nuevo tipo” provincial en China, que también ha visto la ventaja de pasar a la impresión 3D. En colaboración con INTAMSYS, el instituto lidera dos iniciativas para aplicar la impresión 3D al desarrollo de piezas compuestas para productos.
Reemplazo del moldeado tradicional de materiales.
No es ninguna novedad que la impresión 3D se haya propuesto como sustituto o incluso complemento de muchos procesos de producción tradicionales. El motivo es que con la impresión 3D se consiguen más fácilmente geometrías complejas. Además, el diseño se puede optimizar aún más para reducir costos y plazos.
En un tiempo, el instituto tuvo la tarea de desarrollar colectores de admisión para un motor de avión específico. Los colectores de admisión son componentes críticos dentro de los sistemas del motor con un impacto directo en el rendimiento general del motor, ya que suministran aire fresco a los cilindros para garantizar la mezcla adecuada de aire y combustible quemado. Sin embargo, su desarrollo puede resultar complicado debido a su complejo diseño, así como a las dificultades relacionadas con la fabricación de moldes, los altos costes y el largo proceso de soldadura por vibración. Aquí es donde entra en juego la impresión 3D.
El instituto decidió fabricar estos colectores de admisión mediante impresión 3D FFF. Más concretamente, utilizaron la impresora 3D INTAMSYS 610HT y PEEK-CF. Fueron elegidos por el rendimiento del material, las capacidades del equipo y el soporte técnico.
El colector de diseño terminado (izquierda) y el diseño de la pieza, incluido el interior (derecha).
Ya hemos hablado antes del FUNMAT PRO 610HT. Esta impresora 3D de gran formato y doble boquilla ha sido diseñada para trabajar con materiales termoplásticos de alta temperatura, como PEEK, ULTEM y PPSU. También es compatible con una amplia gama de materiales, incluidos polímeros personalizados. Tiene boquillas que pueden alcanzar hasta 500°C y una cámara que puede calentar hasta 300°C. Esto permite imprimir materiales de alto rendimiento sin distorsión.
Además, expertos del instituto e INTAMSYS utilizaron DfAM para optimizar los procesos de diseño e impresión para fabricar la pieza de 218,4 × 216,4 × 95,4 mm. El resultado fue una reducción de peso del 30%, con un espesor de pared más fino de sólo 1,7 mm. Las dimensiones de la pieza también se pudieron controlar para lograr un ajuste preciso y las pruebas mostraron una resistencia mecánica de 100 mPA, que es más de un 30% mayor que los productos tradicionales de PA66-GF moldeados por inyección, todo al mismo tiempo. mientras que son capaces de soportar temperaturas prolongadas de 114°C.
Teniendo en cuenta que las piezas fabricadas mediante procesos tradicionales de moldeo por inyección (incluidas las herramientas) habrían costado alrededor de 27.803 dólares con un plazo de entrega de 45 días, el valor de la impresión 3D se hizo evidente de inmediato. El instituto pudo fabricar los colectores de admisión como una sola pieza integrada, reduciendo los costos a una décima parte de los fabricados con métodos tradicionales y acortando el tiempo de producción a solo 4-7 días.
Fabricación híbrida con impresión 3D de composites
Por supuesto, la impresión 3D de materiales compuestos no sólo es útil para sustituir los métodos tradicionales. También se puede integrar en procesos existentes. El instituto lo hizo en colaboración con una universidad china para desarrollar un brazo manipulador robótico hecho de material compuesto.
Por ejemplo, para fabricar el brazo manipulador se utilizó FUNMAT PRO 610HT y PEEK-CF como estructura de soporte interna. El componente resultante no sólo era de gran tamaño, sino que presentaba superficies curvas, una alta relación rigidez-peso y una resistencia específica excepcional. Esto demuestra la capacidad de la impresión 3D compuesta para crear piezas complejas y de alto rendimiento.
Se utilizó FUNMAT PRO 610HT tanto para los colectores de admisión como para el componente del brazo robótico.
A continuación, la universidad utilizó un método de capas preimpregnadas para envolver la estructura impresa en 3D con fibra de carbono. Esto permitió la creación rápida y asequible de un brazo manipulador compuesto ligero y robusto. ¿Y lo mejor? Fue posible evitar costosas herramientas de moldeo y, al mismo tiempo, lograr una resistencia estructural comparable a la de las aleaciones de aluminio. Además, la impresión 3D compuesta también podría combinarse con otras técnicas tradicionales, como el bobinado de filamentos, la estratificación automatizada y los procesos de moldeo por compresión.
En cualquier caso, está claro que el Instituto de Nuevos Materiales Industriales ha demostrado las ventajas de sustituir y complementar los procesos tradicionales con la impresión 3D de composites. En concreto, mejorando la eficiencia y reduciendo costes en la fabricación de piezas con materiales compuestos.
¿Qué opinas de la tecnología de impresión 3D compuesta desarrollada por INTAMSYS? Deja tus comentarios en nuestras redes sociales: Facebook, Gorjeo y youtube. Sigue toda la información sobre la impresión 3D en nuestra Newsletter semanal.
*Foto de portada: El componente del brazo robótico, creado mediante impresión 3D de compuestos. (Créditos: INTAMSYS)
