Materiales de altas prestaciones basados en fibras de aramida para fabricación aditiva
La fibra de aramida, debido a sus excepcionales propiedades, ha encontrado aplicación en una variedad de industrias, desde la aeroespacial hasta la automotriz. La incorporación de fibras de aramida en el proceso de fabricación aditiva presenta nuevas oportunidades para mejorar la resistencia y la funcionalidad de los productos impresos en 3D.
Dentro de los grandes avances que se están realizando en Fabricación Aditiva destaca el desarrollo de nuevos materiales y de materiales con prestaciones avanzadas, lo que está permitiendo el acceso de esta tecnología a sectores de elevadas exigencias. Entre los materiales de altas prestaciones destacan los materiales compuestos, materiales con diferentes tipos de fibra como de fibras de carbono, de vidrio o aramida entre otras. El uso de estos refuerzos mejora enormemente las cualidades del polímero base sin modificar sensiblemente el método de fabricación.
A continuación, se analiza el uso de la fibra de aramida en la fabricación aditiva, destacando sus propiedades, métodos de incorporación, mejoras en las propiedades de los materiales compuestos y aplicaciones potenciales.
Materiales reforzados con fibras de aramida
Las fibras de aramida son relativamente nuevas, pero nacen con un gran potencial de uso, basado en la rigidez y en la alta resistencia, que se obtiene en polímeros completamente alineados. Las fibras de aramida son fibras de origen sintético. Son poliamidas aromáticas del tipo politereftalato de polifenilendiamina obtenidas por hilado, dando como resultado final unas fibras con altas resistencias, térmicas y mecánicas.
La fibra de aramida tiene propiedades de alta resistencia a impacto tracción y altas temperaturas, también presenta resistencia química a ácidos y álcalis, presenta un peso ligero, buen aislamiento, resistencia al envejecimiento, larga vida útil, estructura química estable, combustión sin goteo, gas no tóxico, etc.
Propiedades de la fibra de aramida
- Alta resistencia específica a la tracción.
- Alto módulo de elasticidad y una baja elongación a la rotura.
- Gran tenacidad, no son frágiles, alta resistencia al impacto y alta capacidad de absorción de energía.
- Buena estabilidad mecánica.
- Baja resistencia a compresión y flexión, a diferencia del resto de las fibras que tienen valores similares para la resistencia a la tracción y compresión.
- Baja adherencia a determinadas matrices, como el caso de las termoplástica.
- Excelente resistencia al calor y a las llamas: ignífugas, resistentes al calor y no se derriten ni encienden en condiciones extremas de hasta >500 °C.
- Resistencia sobresaliente: las fibras de aramida superan al acero y las fibras de vidrio de igual peso en términos de propiedades mecánicas. Ofrecen una excepcional resistencia a la abrasión y al corte.
- Alta resistencia química: las fibras de aramida brindan una mejor resistencia contra la combustión súbita y las salpicaduras químicas porque son 100% sintéticas. Su resistencia química es excelente alrededor de solventes orgánicos.
- No conductoras: las fibras de aramida son un excelente aislante general, ya que no conducen la electricidad.
Estas propiedades del material lo hacen interesante para ser usado de diferentes formas en la fabricación aditiva. Encontramos diferentes formas de incorporar la fibra de aramida en materiales compuestos para impresión 3D. La fibra se puede incorporar en formato polvo, fibra corta o fibra continua. De esta manera podemos hablar de:
- Filamentos basados en materiales compuestos con polvo de aramida: Se puede mezclar polvo de fibra de aramida con matrices termoplásticas comunes en la fabricación aditiva para mejorar significativamente la resistencia y rigidez de las piezas impresas. Esto es especialmente útil para imprimir objetos que requieren una alta resistencia a la tracción o impacto.
- Filamentos basados en compuestos de fibra corta de aramida: Se pueden desarrollar filamentos compuestos que consisten en una matriz de plástico reforzada con fibras cortas de aramida. Estos filamentos ofrecen propiedades mecánicas mejoradas en comparación con los filamentos de plástico estándar y pueden ser utilizados en una variedad de aplicaciones industriales.
- Impresión Directa con Fibra de Aramida: Algunas impresoras permiten la deposición directa de fibra continua de aramida durante el proceso de impresión, combinándolo con material polimérico creando piezas reforzadas por completo o solo en determinadas zonas de la misma.
Al imprimir con materiales compuestos de fibra de aramida, es importante tener en cuenta que pueden requerir ajustes en los parámetros de impresión en comparación con los filamentos tradicionales, como la temperatura de la boquilla y la cama, así como la velocidad de impresión, para garantizar una buena adhesión entre las fibras y la matriz plástica, y obtener los mejores resultados en términos de resistencia y calidad de las piezas impresas. Además, se debe tener cuidado al manipular la fibra de aramida debido a su resistencia y dureza.
Los diferentes sectores en los que se puede aplicar materiales de fabricación aditiva con cargas de fibra de aramida son:
- Industria aeroespacial: Componentes estructurales, piezas de aeronaves, soportes de carga.
- Industria automotriz: Piezas de vehículos, prototipos de motores, componentes interiores.
- Sector militar y de defensa: Equipamiento táctico, drones, piezas de munición.
- Sector deportivo: Equipamiento de protección, piezas para equipos de montaña, bicicletas de alto rendimiento.
- Industria de la salud: Prótesis, dispositivos médicos, herramientas quirúrgicas.
Uno de los grandes desafíos que se presentan a la hora de incorporar las fibras de aramida en matrices poliméricas para fabricación aditiva es asegurar una buena adhesión entre las fibras y la matriz plástica y el control de temperaturas para evitar dañar la fibra de aramida.
La clave para obtener propiedades óptimas en el material compuesto es garantizar una dispersión uniforme de las fibras en la matriz y una buena adherencia entre ellas. Esto se logra mediante un control cuidadoso de los parámetros de procesamiento y la selección adecuada de los materiales y tratamientos previos de la fibra.
Algunos polímeros compatibles con la adhesión de fibras de aramida son:
- PETG (tereftalato de polietileno modificado con glicol) es un material que se puede reforzar con fibras de aramida para mejorar sus propiedades mecánicas. Los filamentos de PETG reforzados con aramida son compatibles con la impresión FDM y ofrecen una buena resistencia y tenacidad.
- Poliamidas: Algunos tipos de poliamidas, pueden ser compatibles con la adhesión de fibras de aramida. Las poliamidas se utilizan en aplicaciones que requieren alta resistencia y tenacidad, y cuando se combinan con fibras de aramida, pueden formar compuestos robustos y ligeros.
- Polímeros de alta temperatura: Polímeros de alto rendimiento que pueden resistir altas temperaturas, como el polieteretercetona (PEEK) y el polieterimida (PEI), pueden ser compatibles con fibras de aramida. Estos polímeros se utilizan en aplicaciones que requieren estabilidad térmica y resistencia a la corrosión, y pueden formar compuestos avanzados cuando se combinan con fibras de aramida.
- Algunos polímeros termoplásticos, como el poliéter-éter-cetona reforzado con fibras de aramida (PAEK), están diseñados específicamente para ser compatibles con fibras de aramida. Estos materiales ofrecen una combinación única de resistencia, rigidez y tenacidad, y se utilizan en aplicaciones de alto rendimiento en la industria aeroespacial, automotriz y deportiva.
Es importante tener en cuenta que la adhesión entre la matriz polimérica y las fibras de aramida puede estar influenciada por diversos factores, como el tratamiento superficial de las fibras, la composición química de la matriz polimérica, las condiciones de procesamiento y la compatibilidad interfacial. Por lo tanto, es fundamental realizar pruebas y optimizar los procesos de fabricación para lograr una adhesión óptima y un rendimiento mecánico superior en los materiales compuestos reforzados con fibras de aramida.
Nuestras soluciones
AIMPLAS trabaja en el desarrollo e impresión de materiales compuestos de fibra en dos grandes ámbitos Por un lado, en Impresión 3D de fibra continua, acoplando diferentes fibras entre las que se encuentra la fibra de aramida de, reforzando piezas en su conjunto o en zonas concretas. Por otro lado, en la investigación y desarrollo de materiales para fabricación aditiva con cargas de diferente naturaleza (fibra corta, fibra larga y fibra continua), desde el estudio y desarrollo del compuesto en nuestras plantas piloto de compounding y extrusión, hasta la optimización de parámetros de proceso para Impresión 3D de piezas finales.
Ejemplo de ello, son distintos proyectos de I+D como STORACHE, un proyecto que busca desarrollar composites termoplásticos de fibra larga (LFRT) para la fabricación mediante tecnologías de deposición automática de sistemas de almacenamiento de gas a presión. Otro ejemplo es el proyecto SUPIN, centrado en el desarrollo de Superficies y estructuras inteligentes mediante la integración de nanofibras funcionalizadas.
Conclusión
El uso de esta fibra dentro de matrices poliméricas ofrece como ventajas alta resistencia mecánica, ligereza, resistencia a la abrasión y al impacto. Lo que permite su uso en una amplia gama de aplicaciones y la creación de piezas impresas personalizadas con propiedades específicas.
La fibra de aramida ofrece un gran potencial para mejorar las propiedades de los materiales usados en fabricación aditiva, esas mejoras permiten incorporar el uso de esta tecnología en sectores como defensa o aeroespacial.
A pesar de todas estas ventajas la fibra de aramida puede ser más costosa que otros materiales de impresión 3D, lo que puede limitar su uso en aplicaciones de bajo presupuesto. A demás el procesamiento de la fibra de aramida puede ser complicado, especialmente para garantizar una distribución uniforme de la fibra en el filamento de impresión 3D y evitar obstrucciones en la boquilla durante la impresión, no todas las impresoras 3D pueden manejar filamentos compuestos con fibra de aramida, por lo que se requiere asegurarse de que la impresora sea compatible antes de intentar imprimir con este material.
En resumen, el uso de fibra de aramida en impresión 3D ofrece una serie de beneficios en términos de resistencia y durabilidad, pero también presenta desafíos en términos de costos y procesabilidad. Sin embargo, con los avances en tecnología de materiales y procesos de impresión 3D, es probable que la fibra de aramida juegue un papel importante en el desarrollo de componentes avanzados y personalizados en una variedad de industrias.
Paula Maestro García · AIMPLAS Engineering Group