Repensando el hardware para espresso: una mejor placa de dispersión, impresa en 3D

En la fabricación de máquinas de café espresso profesionales, uno de los mayores desafíos es encontrar materiales que resistan el uso intensivo, el calor constante y el contacto con agua caliente y vapor sin degradarse. Durante años, los fabricantes han recurrido a componentes mecanizados en metal como latón o acero inoxidable, sin embargo el uso de metales presenta un problema de acumulación de cal, especialmente con el uso de aguas duras, y de corrosión a largo plazo, que afecta negativamente a la calidad y sabor del café, además de incrementar el mantenimiento y desgaste de la máquina.

Imagen 1: Cafetera expresso profesional. Fuente: electroluxprofessional.com.

Alternativamente se ha explorado el uso de plásticos para reducir el problema de acumulación de cal y de corrosión, sin embargo la necesidad de soportar altas presiones y temperaturas durante ciclos prolongados de trabajo limita mucho el catálogo de plásticos compatibles, reduciéndose a unos pocos plásticos técnicos como PEEK o PPSU.

Uno de los componentes que presenta mayores retos es la placa de dispersión de las cafeteras. Este componente es el responsable de distribuir el agua caliente de forma uniforme sobre el café molido, lo que implica que sufre ciclos continuos de trabajo a alta presión y temperatura, por lo que se trata de uno de los componentes con mayor desgaste. Además este elemento está en contacto directo con el agua y el café, por lo que el uso de un material inadecuado, o la acumulación de cal u óxidos puede afectar negativamente a la calidad, sabor y olor del café.

La importancia del material

Tradicionalmente los materiales más empleado en la fabricación de placas de dispersión han sido metales, principalmente latón, acero inoxidable y aluminio anodizado.

De estos, el material que mejor se adapta es el acero inoxidable 316L o 304, ya que son resistentes a la corrosión, fáciles de limpiar y no afectan al sabor o al aroma del café, sin embargo su coste es elevado por lo que se reserva a equipos de alta gama.

Otro material habitual es el latón, ya que su coste de mecanizado es más económico que el acero y resiste bien el calor, sin embargo es propenso a la corrosión y a la acumulación de cal, y puede liberar partículas de óxido metálico que afectan al sabor y calidad del café.

Actualmente muchos fabricantes de gama media baja han optado por usar aluminio anodizado en la fabricación de placas de dispersión, debido a su bajo coste y buena resistencia, sin embargo, al igual que el latón, puede liberar partículas metálicas que afectan al sabor y calidad del café.

Imagen 2: Placas de dispersión fabricadas en latón y acero inoxidable. Fuente: shadesofcoffee.co.uk.

En la búsqueda de alternativas económicas, resistentes y que no afecten al sabor ni a la calidad del café, algunos fabricantes han explorado el uso de plásticos técnicos como alternativa a los metales en la producción de placas de dispersión. El principal problema encontrado en este enfoque es que los plásticos inyectados más económicos aptos para alimentación, como los copoliésteres, el policarbonato o el PVDF, soportan muy pocos ciclos de trabajo antes de deformarse debido a la temperatura y presión, mientras que los plásticos técnicos, como el PEEK o PPSU mecanizados superan en muchos casos el coste del acero mecanizado.

PEN-HF e impresión 3D, una solución sencilla, económica y efectiva.

Frente a los enfoques tradicionales, un reconocido fabricante de máquinas expresso ha explorado una alternativa innovadora en la fabricación de placas de dispersión plásticas, con el objetivo de obtener un producto resistente, duradero y que no afecte al sabor ni calidad del café, a la vez que mantiene un coste de fabricación bajo para hacerlo accesible a todo tipo de máquinas.

Para ello subcontrató a un service bureau la producción de placas de dispersión mediante impresión 3D FFF empleando PEN-HF, un material desarrollado por el fabricante FLXR Engineering.

Imagen 3: Placa de dispersión impresa en 3D con PEN-HF Fuente: FLXR Engineering.

El naftalato de polietileno (PEN) es un poliéster similar al PET en composición, pero con unas propiedades físicas, mecánicas y térmicas que lo acercan a otros materiales más técnicos como las poliamidas, el PPSU o incluso el PEEK. El PEN puede soportar temperaturas de trabajo cercanas a los 170 ºC, presenta una resistencia a tracción y una rigidez superiores a otros poliésteres, alcanzando módulos elástico superiores a los 2 GPa, ofrece una mejor barrera de permeación frente a gases y vapor de agua y mantiene una excelente resistencia química y compatibilidad para uso alimentario.

Poniendo a prueba el material

Para evaluar las nuevas placas de dispersión fabricadas en PEN, se realizó un ensayo en condiciones reales, mediante una sucesión de 120 extracciones de 30s con agua a una temperatura de entre 91ºC y 96ºC y a una presión de 9 bares. Además se realizó el mismo estudio con placas de dispersión impresas en 3D en PETg, PCTG, PC, PEEK y PVDF, además de con placas mecanizadas en PPSU.

Sólo tres materiales soportaron los 120 ciclos sin deformación: El PPSU, el PEEK y el PEN-HF. Otros poliésteres como el PETg o PCTG sólo soportaron 1 y 5 ciclos respectivamente, mientras que el PC apenas resistió 5 ciclos. 

Imagen 4: Número de ciclos completados con éxito antes de sufrir deformación. Fuente: FLXR Engineering.

Además, las piezas impresas en PEN-HF no suponían una alternativa funcional a las placas de dispersión de PEEK o PPSU, sino que además su coste es más competitivo, reduciendo el coste entre un 33% y un 45% respecto al PPSU.

Tabla 1: Comparativa de coste de fabricación. Fuente: Filament2Print.com.

Ventajas más allá del coste

El nuevo proceso de fabricación mediante impresión 3D en PEN-HF no sólo permite obtener placas de dispersión duraderas, económicas, inertes y resistentes a corrosión, sino que también implican una menor huella de carbono, una cadena de suministro más flexible y una mayor capacidad de optimización y personalización.

El PEN-HF se muestra como una alternativa económica, eficiente y más sencilla de imprimir a otros materiales técnicos más comunes pero más costos y complejos de procesar. No requiere el uso de impresoras 3D industriales o de alta temperatura, cumple con la normativa europea y FDA para aplicaciones en contacto con alimentos y ofrece una resistencia mecánica, térmica y química superior a la de cualquier otro material en su rango de precios.