Filamentos solubles para soporte

Una de las principales limitaciones de la impresión 3D FFF frente a otras tecnologías de fabricación aditiva es la necesidad de que el área impresa de cada capa esté soportada por una capa impresa anterior. Esto provoca que cualquier parte de la pieza con un voladizo superior a 45 º o cualquier puente con una longitud mayor de 10 mm requiera de estructuras de soporte.

En aquellas impresoras 3D FFF de un solo extrusor, la única opción para generar estructuras de soporte es emplear el mismo material de impresión que la pieza. Estos soportes deben retirarse mecánicamente una vez finalizada la impresión, y para facilitar esta tarea se emplean diversas estrategias como fabricar estos soportes con estructuras de baja densidad y dejar una capa de separación entre el soporte y la pieza. Gracias a esto, los soportes pueden retirarse manualmente sin necesidad de emplear herramientas, aunque las superficies en contacto con los soportes suelen presentar unos malos acabados.

Imagen 1: Soportes en piezas impresas en 3D. Fuente: 3DHubs

En impresoras 3D FFF con extrusores duales, el abanico de opciones se amplía, ya que no es necesario emplear el mismo material para la pieza y para los soportes. Esto abre la puerta a utilizar materiales que sean solubles en disolventes que no disuelven el material de la pieza. Gracias a esto es posible usar soportes densos en contacto con la pieza que garantizan un excelente acabado en la superficie de contacto.

Imagen 2: Extrusor dual de Raise3D Pro2. Fuente: Raise3D

Existen múltiples filamentos de soporte solubles disponibles, sin embargo no todos son iguales ni tienen la misma compatibilidad. A la hora de seleccionar un material soluble de soporte, es importante tener en cuenta una serie de características que garanticen la compatibilidad con el material de impresión empleado. Estas características son:

• Debe poder disolverse en un disolvente que no dañe ni perjudique las propiedades del material empleado en la pieza.

• Debe ser compatible térmicamente con el filamento de la pieza, por lo que debe tener temperaturas  de impresión y de base similares, además de temperaturas de reblandecimiento cercanas.

• Debe presentar buena adherencia con el material usado en la pieza.

• Debe ser fácilmente imprimible y presentar buena adherencia entre capas.

Actualmente es posible encontrar principalmente tres tipos de materiales de soporte solubles:

• Filamentos solubles en disolventes orgánicos

• Filamentos solubles en agua mediante el uso de un activador

• Filamentos solubles en agua

FILAMENTOS SOLUBLES EN DISOLVENTES ORGÁNICOS.

Se trata de materiales con propiedades similares al material empleado en la pieza pero que pueden ser disueltos en algún disolvente que no ataca ni disuelve el material al que complementan.

Actualmente no existen muchas opciones de este tipo de filamentos debido principalmente a dos problemas: por un lado, los materiales con propiedades fisicoquímicas similares que hacen que sean compatibles entre sí también provoca que en general su comportamiento ante la mayoría de disolventes sea similar, por lo que se hace complicado encontrar un disolvente adecuado. Por otro lado, muchos de estos disolventes orgánicos presentan una elevada toxicidad o no son accesibles para la mayoría de usuarios, además de requerir de un tratamiento especializado de residuos.

Imagen 3: D-Limoneno. Fuente: Filament2print

El filamento de este tipo más usado es el HIPS, cuyas propiedades lo hacen compatible con la mayoría de materiales basados en ABS y ASA. Además de tener propiedades térmicas similares, presenta buena adherencia con estos. Actualmente es uno de los materiales de soporte más empleados, no sólo por su compatibilidad con el ABS, sino también por su bajo coste y por ser soluble en D-Limoneno, un disolvente orgánico accesible, económico y con baja toxicidad.

FILAMENTOS SOLUBLES EN AGUA MEDIANTE EL USO DE UN ACTIVADOR.

Se trata de polímeros basados en ATP (terpolímeros de acrilato). Este tipo de materiales tienen la característica de ser solubles en soluciones alcalinas. Presentan una excelente compatibilidad con materiales basados en ABS y ASA, además de poder ser usados con policarbonato (aunque su compatibilidad es algo menor).

No son solubles directamente en agua, ya que requieren que esta tenga un pH alcalino, por lo que es necesario el uso de un activador consistente en un tampón, como el 3DWash.

Imagen 4: 3DWash. Fuente: Traxer

Son una alternativa perfecta al HIPS, no sólo por no requerir el uso de disolventes orgánicos, sino también porque se trata de filamentos desarrollados y aditivados específicamente para ser usados como material de soporte, por lo que en general se disuelven más rápidamente y dejan menos residuos en la pieza.

Video 1: Video de presentación de PolyDissolve S2. Fuente:Polymaker

Algunos filamentos representativos son el PolyDissolve S2 y el Z-SUPPORT ATP.

FILAMENTOS SOLUBLES EN AGUA

Uno de los principales objetivos de los fabricantes ha sido obtener filamentos de soporte solubles directamente en agua. Esto se debe a que al no requerir disolventes orgánicos o soluciones alcalinas, es la alternativa más segura y accesible para la mayoría de usuarios.

Es por esto que se trata de la categoría con mayor variedad de materiales diferentes, y con opciones compatibles con un amplio rango de filamentos.

Dentro de los filamentos solubles en agua se pueden distinguir dos tipos:

Filamentos solubles en agua compatibles con materiales de baja temperatura: Se trata de filamentos basados en PVA (alcohol polivinílico) o BVOH (butenodiol vinil alcohol). Ambos materiales poseen una excelente compatibilidad con PLA y pueden ser usados con PA (aunque su compatibilidad no es tan buena). El BVOH, se puede considerar como una evolución del PVA y presenta una serie de ventajas respecto a este, como una mayor compatibilidad al poder usarse con PETG o incluso con algunos filamentos flexibles y una velocidad de disolución mayor en agua fría. Algunos filamentos de PVA son LAY-PVA o PVA Raise, mientras que Mowiflex o Z-SUPPORT Premium están basados en BVOH.

Video 2: Comparativa entre PVA y BVOH. Fuente: BCN3D

Filamentos solubles en agua compatibles con materiales de alta temperatura: Se trata de los filamentos de soporte más avanzados disponibles en la actualidad. Están formados por un material compuesto por un blend de un polímero hidrosoluble (similar a los anteriores) y un azúcar, generalmente trehalosa, un polisacárido rápidamente soluble en agua y con una elevada estabilidad térmica. La proporción entre polímero y azúcar, unido al uso de determinados aditivos específicos de cada fabricante, hace que sea posible obtener distintas formulaciones de materiales solubles en agua y compatibles con materiales en un amplio rango de temperaturas, desde ABS hasta PEEK o ULTEM.

Imagen 5: Pieza de PA-CF con soportes fabricados en Aquatek X1. Fuente: 3DXTech

Algunos filamentos como Aquasys 120 o Aquatek X1 son compatibles tanto con PLA como con ABS, ASA, PA, PETG o determinados filamentos flexibles. Además Aquasys 120 puede ser usado también con PC o PP. Además, ambos materiales admiten temperaturas de cámara hasta 120 ºC, por lo que son también adecuados para su uso en impresoras industriales.

Un paso por encima se encuentra el Aquasys 180, probablemente el material de soporte más avanzado y con mayor compatibilidad que se puede encontrar actualmente. Además de ser compatible con los mismos materiales que Aquasys 120 puede usarse con PEKK, PEEK, ULTEM y PPSU gracias a que soporta temperaturas de cámara de hasta 180 ºC.

Imagen 6: Pieza con soportes fabricados en Aquasys 180. Fuente: Infinite Material Solutions

Sin embargo la principal ventaja de este tipo de filamentos (su alta solubilidad en agua) es también su mayor inconveniente, ya que presentan una elevada sensibilidad a la humedad ambiental. Esto hace que sea necesario mantener este tipo de filamentos en contenedores especiales, tanto durante su almacenamiento como durante su uso. Además, a medida que este tipo de filamentos absorbe humedad, su adherencia empeora y aumenta el riesgo de atascos.

CÓMO ESCOGER EL FILAMENTO SOLUBLE MÁS ADECUADO.

A la hora de seleccionar el filamento soluble más adecuado es necesario analizar el material que va a complementar.

• ABS/ASA: En general es recomendable evitar el uso de HIPS ya que conlleva la manipulación de disolventes orgánicos y genera residuos que no pueden ser desechados de manera directa. En este caso la opción más recomendable son los filamentos de ATP solubles en agua mediante el uso de un activador. Tienen una excelente compatibilidad con estos materiales y poseen una baja sensibilidad a la humedad, por lo que su almacenamiento y uso es más sencillo, además de minimizar el riesgo de fallo en la impresión.

• PLA: Los materiales que presentan una mejor compatibilidad con el PLA son los basados en PVA y BVOH. Dentro de estos, los basados en BVOH presentan una menor sensibilidad a la humedad, aunque en general los basados en PVA son ligeramente más económicos.

• PETG/PA: Aunque es posible usar PVA y BVOH como material de soporte con PETG y PA, su compatibilidad no es especialmente buena. En este caso la mejor opción son los filamentos solubles en agua y compatibles con materiales de alta temperatura como Aquasys 120.

• Flexibles: La compatibilidad entre materiales de soporte y flexibles nunca ha sido especialmente buena. Es posible usar BVOH o materiales como Aquasys 120 con algunos filamentos flexibles, sin embargo será necesario probar cada filamento flexible para poder verificar su compatibilidad.

• PEEK/PEKK/PEI/PPSU: En este caso la mejor opción es emplear Aquasys 180, ya que es el material que garantiza una mejor compatibilidad con este tipo de materiales y que tiene mejor estabilidad térmica a altas temperaturas.

• Si habitualmente se usan soportes solubles con diferentes materiales, la opción ideal es usar un único material compatible con todos, como Aquasys 120 o Aquatek X1, en lugar de disponer de uno diferente para cada material.

Aunque en general se suele hablar de filamentos solubles cómo un único grupo, en realidad está compuesto por diferentes materiales, con características propias muy concretas. Actualmente es posible encontrar filamentos solubles de alta calidad compatibles con prácticamente cualquier material del mercado, desde PLA hasta PEEK.