El poder transformador de las innovaciones en materiales aditivos

El ascenso lento pero constante de la fabricación aditiva (FA) en los entornos de producción convencionales está cambiando la forma en que se diseñan, fabrican y entregan productos de todo tipo. La evolución de los materiales avanzados está elevando aún más la industria al potenciar las piezas y productos de uso final con propiedades físicas mejoradas para una mayor utilización a costos más bajos, así como una entrega más rápida y menos desperdicio.

Según la firma de investigación SmarTech Analysis, se pronostica que las tecnologías AM de polímeros se moverán a una multitud de industrias durante la próxima década, con una producción de impresión que crecerá a casi $ 26 mil millones anuales para 2030. Al compilar la investigación, el observador de la industria analizó las piezas de polímero AM que abarcan prototipos , herramientas y herramientas, así como piezas de producción de uso final en ocho segmentos de la industria, que incluyen automotriz, aeroespacial, bienes de consumo, energía y medicina.

En particular, la ciencia de los polímeros involucrada en el desarrollo de materiales aditivos para la impresión 3D es intrínsecamente más complicada que la ciencia utilizada para producir materiales para la fabricación tradicional. Además, las plataformas de impresión 3D actuales a menudo carecen de los estrictos controles de proceso que se encuentran en el CNC y el moldeo por inyección, lo que agrega otra capa de dificultad.

El seguimiento de la trayectoria de los materiales aditivos está inextricablemente vinculado a los procesos emergentes para extraer un mayor valor de las combinaciones de polímeros nuevas y existentes. Una mirada holística a ambos es clave para cerrar las brechas del mercado mientras se introducen nuevas innovaciones de fabricación.

A medida que se acelera la adopción de AM, también lo hace la demanda de materiales nuevos y mejorados, así como casos de uso probados y validaciones de rendimiento. Una de las mayores limitaciones actualmente es la necesidad de aumentar la disponibilidad de materiales de mejor rendimiento. Las empresas que prioricen la ciencia de los polímeros estarán entre las primeras en interrumpir el mercado al elevar las resinas de productos básicos con atributos de valor agregado para mejorar la usabilidad para una mayor variedad de aplicaciones.

Entre los materiales plásticos más utilizados, se están produciendo desarrollos continuos con materiales de poliamidas (conocidos como nailon), termoplásticos ABS (acrilonitrilo butadieno estireno), PLA (ácido poliláctico) y PC (policarbonato). Cada uno de estos tiene distintas ventajas e inconvenientes en términos de propiedades del polímero, características de rendimiento e imprimibilidad.

Muchos, si no todos, de los materiales aditivos más populares se pueden mejorar mediante el refinamiento de las formulaciones de polímeros y los procesos de composición. Se necesitan habilidades altamente especializadas para controlar la morfología y la cristalización de partículas, lo que requiere que los químicos y científicos creen e iteren nuevas fórmulas de materiales.

Por ejemplo, el nailon 6/6 es uno de los nailons comerciales más utilizados para el moldeo por inyección. Como polímero altamente cristalino, el nailon 6/6 experimenta altas tasas de contracción, por lo que normalmente se usa para producir piezas relativamente pequeñas. Sin embargo, la capacidad de modificar la cinética de cristalización puede extender el uso de este material probado y estable para producir factores de forma más grandes.

Del mismo modo, la capacidad de inducir la cristalinidad en polímeros que suelen ser amorfos, como el policarbonato, abre la puerta para que estos materiales se produzcan mediante la sinterización selectiva por láser (SLS), que es una popular plataforma de impresión 3D dentro de la categoría de fusión de lecho de polvo. . El resultado es la producción de un material de policarbonato amorfo que muestra la gran dureza y claridad de una pieza de policarbonato moldeado por inyección en un factor de forma mucho más ligero.

La cadena de valor de los polímeros se extiende desde la creación química hasta la formulación, la conversión del factor de forma, la distribución y el método de fabricación, desde la impresión 3D hasta el moldeado tradicional, la extrusión, la molienda o el recubrimiento en polvo. La optimización de materiales aditivos para todo tipo de fabricación no es tarea fácil.

Por esa razón, los científicos de polímeros están ingresando a territorios inexplorados para mejorar la resistencia, la ductilidad, la durabilidad, la resistencia química y a la humedad, el peso y la sustentabilidad de los materiales, al mismo tiempo que reducen los costos. Esto requiere una cuidadosa coordinación y calibración de la química, la ingeniería de polímeros y los procesos de fabricación para modificar la arquitectura y el método de creación y formación de materiales.

Se requiere una iteración rápida del material y un ajuste fino constante para modificar las propiedades mecánicas, físicas y térmicas. Como en todo proceso de fabricación, el punto de partida es la aplicación, seguido de cerca por el caso de negocio. Juntos, estos parámetros críticos ayudan a dictar la metodología de diseño, junto con la selección de materiales y procesos de fabricación.

En el mundo de la fabricación aditiva, los avances en las innovaciones de polímeros están siendo impulsados ​​por la demanda de compuestos más asequibles, livianos y de mayor módulo, así como por la capacidad de imprimir materiales que antes eran demasiado difíciles de integrar en procesos aditivos. Además, la incorporación de valor -los atributos agregados a los polímeros existentes están marcando el comienzo de una nueva clase de materiales de ingeniería con una funcionalidad especial, como atributos ignífugos o resistentes; materiales reforzados que contienen fibra de vidrio, así como cargas minerales, fibra de carbono o nanotubos.

La inclusión de atributos conductivos también va en aumento para abordar materiales disipativos electrostáticos (ESD), protegidos contra EMI o eléctricamente conductivos. La necesidad de materiales lubricados también es vital para reducir la fricción y el desgaste de las piezas, junto con la adición de materiales estables a los rayos UV para reforzar la longevidad de las piezas. Muchos de estos atributos están diseñados para ampliar la utilidad de los materiales para las aplicaciones tradicionales de fabricación e impresión 3D, y viceversa.

La oportunidad de impulsar la sustentabilidad material está ganando importancia por todas las razones correctas. Para empezar, las empresas comienzan a preocuparse más por el origen de sus materiales: ¿son petroquímicos o de base biológica? El PLA, que es extremadamente fácil de usar, se basa en recursos renovables, como el maíz, la caña de azúcar o la pulpa de remolacha azucarera. La poliamida 11, o PA 11, uno de los materiales aditivos más utilizados, es un bioplástico fabricado a partir de aceite de ricino. En cambio, el PA 12, otro plástico de uso común, es un material de base petroquímica, al igual que el ABS, entre otros.

Si bien los materiales fabricados con recursos renovables pueden reducir la huella de carbono, no son necesariamente biodegradables. Dado que el lado descendente es vital, es fundamental considerar si los materiales se pueden reciclar o convertir en abono una vez que una pieza o producto llega al final de su vida útil. Para los artículos de plástico de un solo uso, el tipo de material es una gran preocupación, lo que genera un gran interés en el uso de materiales domésticos compostables, biodegradables y degradables en el mar. La investigación y el desarrollo en curso en la formulación de polímeros biodegradables y materiales aditivos se centran en la mejor manera de cumplir con las estrictas propiedades de temperatura, oxígeno y barrera contra el agua.

El uso de materiales reciclados posconsumo para crear filamentos para AM también plantea consideraciones de proceso y costo. El control de la morfología para compensar los defectos y fallas inherentes de los materiales reciclados es complicado, especialmente cuando se trata de requisitos mecánicos rigurosos. Afortunadamente, los esfuerzos para reutilizar y reciclar polvos y otros materiales utilizados en AM son menos complicados y, por lo tanto, crecen más rápido.

La capacidad de reducir las huellas de carbono al disminuir el peso del producto y localizar la fabricación son los principales beneficios de la fabricación aditiva. Ahora es posible crear formas geométricas extremadamente complejas con menos piezas para la consolidación de la lista de materiales (BOM). Además, los científicos están experimentando con diferentes químicas para mejorar la forma en que se pueden aplicar los rellenos a lo largo de la cadena del polímero para crear materiales más fuertes pero más livianos.

Un gran ejemplo es el trabajo de los rellenos de fibra de carbono, que se pueden unir a lo largo de la cadena polimérica completa para permitir una transferencia de carga mucho mayor a las fibras. Esto logra mejoras significativas en la resistencia del material, lo que requiere menos material a utilizar. En última instancia, se necesitan menos recursos para producir piezas o productos más fuertes pero más livianos a un costo, desperdicio y consumo de energía reducidos.

Si bien el aligeramiento ha sido un importante acelerador para las aplicaciones AM en las industrias aeroespacial, automotriz y de atención médica, ahora se está acelerando en la electrónica de consumo. La localización es otro impulsor importante, ya que ofrece la oportunidad de fabricar y entregar productos más cerca de los clientes finales para optimizar la gestión de la cadena de suministro, disminuir los costos logísticos y reducir la huella de carbono.

Los nuevos materiales ecológicos también están generando interés por los beneficios ambientales significativos sobre los titulares. Un ejemplo es una policetona innovadora que puede brindar la durabilidad y resistencia de la PA 12, pero está hecha de monóxido de carbono, lo que ayuda a eliminar este contaminante atmosférico del medio ambiente.

Otros materiales innovadores pueden reducir y/o eliminar los humos y las emisiones tóxicas que son potencialmente dañinas para las personas y el planeta.

El uso de ciencia de materiales altamente especializada, formulaciones avanzadas y procesos de composición son ingredientes esenciales para las recetas ideales para materiales aditivos. Sin embargo, donde el caucho se encuentra con el camino, es la capacidad de validar y certificar estos materiales para un rendimiento óptimo en varias plataformas de impresión 3D.

El control riguroso del proceso es obligatorio para garantizar la tan necesaria confiabilidad y repetibilidad de características cruciales, como el rendimiento mecánico y la precisión dimensional. La integración de sistemas en diferentes procesos y plataformas es esencial para aumentar los volúmenes de producción al tiempo que garantiza pruebas, inspecciones de calidad y posprocesamiento sin problemas.

En este sentido, la industria AM va a la zaga de la fabricación tradicional, que utiliza altos niveles de automatización, control inteligente de procesos, aprendizaje automático y análisis de datos. Las líneas de fabricación sofisticadas supervisan y ajustan continuamente los procesos de producción para garantizar resultados de máxima calidad. Para lograr niveles similares de consistencia y calidad de AM, se requerirá una inversión e innovación constantes.

Se necesitan especificaciones internas y certificaciones de la industria para materiales y procesos aditivos para impulsar la industria. Si bien las reglas aún se están escribiendo, hay muchos ejemplos que emanan de los centros de innovación de materiales y los centros de fabricación de excelencia para ayudar a informar y guiar el desarrollo de las mejores prácticas y los próximos pasos.

Las organizaciones con experiencia y conocimientos en fabricación aditiva y tradicional están preparadas para ofrecer lo mejor de ambos mundos. Estos expertos no solo pueden capacitar a los clientes para capitalizar el poder transformador de los materiales aditivos, sino que también pueden aplicar la combinación ideal de soluciones de fabricación para producir piezas y productos de mejor rendimiento a un costo reducido y con menos desperdicio.

Luke Rodgers es director sénior de Investigación y Desarrollo de Jabil (St. Petersburg, FL). Para mas informacion, visite aqui .

Este artículo apareció por primera vez en la edición de mayo de 2023 de la revista Tech Briefs.

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