La importancia de la isotropía en la impresión 3D

La isotropía en materiales es una cualidad que define la uniformidad de sus propiedades independientemente de la dirección en que se midan.

En general, la mayoría de los termoplásticos se consideran materiales isótropos. Debido a su naturaleza y a que la cohesión ente las cadenas de polímero que los componen es uniforme en todas las direcciones, sus propiedades mecánicas también lo son.

Que un material sea isótropo no implica que todas las piezas fabricadas con ese material mantengan esta cualidad. En muchas ocasiones el método de conformado o fabricación puede provocar que una pieza sea anisótropa u ortótropa, a pesar que su materia prima posea isotropía.

Por ejemplo, una pieza fabricada con un termoplástico reforzado con fibras. En la matriz del plástico las fibras se orientan aleatoriamente y de manera uniforme, manteniendo de esta forma la isotropía del material. Sin embargo, si se fabrica una pieza de este material usando métodos de estiramiento mecánico, las fibras pueden reorientarse dentro de la matriz en un dirección preferente y provocando que el material se vuelva anisótropo. En ocasiones, durante el proceso de inyección de termoplásticos o en el curado de resinas, se generan tensiones internas que pueden hacer que el material reduzca su grado de isotropía.

En ocasiones esta anisotropía es una decisión de ingeniería que tiene en cuenta que cargas soportará la pieza y busca mejorar su rendimiento u optimizar el ratio peso/resistencia. Este es el caso, por ejemplo, de los composites reforzados con fibras, en los que a menudo se usan mallas de fibras orientadas para mejorar las propiedades en una dirección determinada.

Imagen 1: Material isótropo y anisótropo. Fuente: Instron

Pero ¿qué pasa cuando esta anisotropía es una consecuencia no buscada, producto del método de conformado o fabricación? En este caso, si las cargas que actuarán sobre la pieza no son uniformes y conocemos bien como varia la isotropía de la pieza tras su fabricación, podemos adecuar su orientación durante el proceso de conformado para que la dirección preferente coincida con la dirección de carga. Esto complica en gran medida las tareas de diseño y fabricación, pero puede ser un obstáculo salvable.

Sin embargo, cuando no sabemos a priori en qué dirección actuarán las cargas sobre una pieza, el hecho que sus propiedades no sean uniformes en todas las direcciones puede suponer un problema importante. En primer lugar, se deberán ensayar las propiedades en todas las direcciones y considerar los valores más bajos como los de resistencia de la pieza. En segundo lugar, es mucho más complicado determinar cuándo fallará esa pieza, ya que la vida útil cuando las cargas actúan en su dirección más favorable puede ser mucho mayor que cuando actúan en la menos favorable.

Es por esto que, cuando se trata de piezas que deben cumplir una función mecánica o estructural, el control de la isotropía es de gran importancia.

La isotropía en impresión 3D

Uno de los métodos de fabricación en los que la isotropía se ve claramente afectada es la impresión 3D FDM. Este método de fabricación se basa en conformar la pieza capa a capa mediante la extrusión de un hilo de polímero fundido.

Es precisamente por esto por lo que, a nivel de su microestructura, las piezas impresas mediante FDM son estructuras microporosas. Esto implica que la sección real de la pieza varía en cada dirección respecto de la sección aparente que podemos medir a nivel macroscópico. Además entra otro factor en juego: la cohesión entre capas, que no siempre se produce de manera ideal y reproducible.

Imagen 2: Microestructura de una impresión 3D FDM. Fuente: Formlabs.

Debido a este desfase entre las secciones reales de la pieza y las secciones aparentes, el módulo aparente cuando se ensaya la pieza en los tres ejes también variará.

Por ejemplo, si ensayamos un cubo de 1 cm³, veremos que el módulo elástico es distinto en los tres ejes. Esto se debe a que al hacer el cálculo E=(F⁄S)/(∆L⁄L) donde S es la sección de la pieza, estamos tomando como sección 1 cm² para los tres ejes, cuando la sección real varía de un eje a otro como se ve en la imagen 3.

Imagen 3: Secciones de una pieza impresa con un relleno del 100% y todas las capas orientadas en la misma dirección.

Podríamos minimizar este efecto si variamos la dirección de impresión en cada capa. Orientando las capas a 90º como muestra la figura 4, podríamos obtener piezas ortótropas en los ejes X e Y, aunque la anisotropía se mantendría en el eje Z.

Imagen 4: Secciones de una pieza impresa con un relleno del 100 % y cada capa orientada a 90 º respecto de la anterior.

En teoría, si variamos un pequeño ángulo cada capa, en piezas de gran tamaño compuestas por un gran número de capas superpuestas podríamos llegar a obtener isotropía planar en el plano XY, pero aun así no se llegaría a una isotropía completa.

Podríamos tratar de obtener las secciones reales de las piezas y así predecir sus propiedades teóricas en cada dirección, sin embargo en la práctica las impresoras FDM no tienen una precisión suficiente como para obtener estructuras homogéneas y de manera reproducible, como se observa en la siguiente imagen.

Imagen 5: Secciones de piezas impresas con capas de 0.1, 0.2 y 0.3 mm. Fuente: S. Garzon-Hernandez et al. Materials and Design 188 (2020) 108414

Por todo esto es muy complicado predecir el comportamiento mecánico de una pieza impresa en FDM.

Sin embargo este fenómeno no es universal en impresión 3D. Otras tecnologías como la impresión 3D SLA y la impresión 3D SLS producen piezas con una alta isotropía.

En la impresión SLA, las piezas se forman fotopolimerizando una resina capa a capa. Esto implica que las piezas son completamente densas y por tanto su sección aparente y real son iguales. Además la cohesión entre moléculas se forma mediante enlaces químicos y de manera homogénea en toda la pieza.

Imagen 6: Módulo de Young de una pieza impresa mediante SLA, medido a distintos ángulos. Fuente: Formlabs

A pesar de que tradicionalmente las resinas SLA no se consideraban para aplicaciones técnicas debido a sus pobres propiedades mecánicas, en los últimos años se ha dado un salto importante en el desarrollo de resinas con unas propiedades mecánicas y térmicas compatibles con los requerimientos más exigentes. Este es el caso de las resinas de ingeniería de Formlabs, que junto a la impresora Form 3L, capaz de producir piezas de hasta 335 x 200 x 300 mm, forman el tándem perfecto para multitud de aplicaciones que requieran piezas isótropas y con altas propiedades mecánicas.

Imagen 7: Impresora Form 3L. Fuente: Formlabs

A pesar del gran avance en el desarrollo de materiales técnicos para SLA, la tecnología que garantiza mejores resultados para aplicaciones técnicas es la impresión 3D SLS.

Esta tecnología se basa en sinterizar capa a capa micropartículas poliméricas. El resultado son piezas con unas características ideales para aplicaciones de ingeniería: poseen alta isotropía, alta precisión dimensional y pueden ser impresas sin soportes, lo que permite geometrías de alta complejidad e incluso imprimir mecanismos móviles ya ensamblados.

Las piezas producidas mediante impresión SLS son porosas, sin embargo, a diferencia de las producidas por FDM, su porosidad es homogénea y no depende de la orientación de la pieza durante la impresión.

Imagen 8: Microestructura interna de una pieza impresa mediante SLS.

Esto hace que posean una alta isotropía, ya que, aunque sus secciones reales y sus secciones aparentes no sean iguales, sí que se mantienen constantes en todas las direcciones.

Es por esto que aunque las propiedades mecánicas de las piezas impresas mediante SLS sean distintas a las del material de partida, son constantes, independientes de la orientación de la pieza y pueden ser determinadas fácilmente, lo que simplifica los cálculos de ingeniería y permite determinar con bajos márgenes de error la resistencia y vida útil de los componentes fabricados mediante esta tecnología.

Además, la impresión SLS permite usar polímeros técnicos muy extendidos en el sector industrial, como son el nylon 11, el nylon 12 o incluso elastómeros termoplásticos como TPE y TPU.

Este es el caso de impresoras 3D como Lisa Pro, una impresora con una excelente relación calidad-precio, capaz de producir piezas de muy alta calidad en materiales como la poliamida 11, gracias a su capacidad de imprimir en atmósfera de nitrógeno.

Vídeo 1: Vídeo Lisa Pro. Fuente: Sinterit.

Cuando se trata de producir piezas mediante impresión 3D que deban cumplir unos requisitos mecánicos determinados, no se debe considerar sólo las propiedades del material de partida sino también la tecnología mediante la cual se va a fabricar. Aunque la tecnología FDM es probablemente la más versátil a la hora de poder escoger materiales técnicos, el hecho de que las piezas impresas presenten una muy baja isotropía puede ser un gran problema difícil de salvar en muchos casos. La orientación de la pieza durante la impresión, la selección de patrones de relleno y conocer bien dónde y en qué condiciones trabajará la pieza son factores críticos a la hora de producir componentes técnicos mediante impresión 3D FDM. Esto provoca que el diseño y la producción de piezas mediante está tecnología sea quizás la más compleja a la vez que presenta importantes limitaciones.

Muchas de estas limitaciones desaparecen con la impresión SLA y SLS. La posibilidad de obtener piezas densas o con una porosidad homogénea, con una alta isotropía y la disponibilidad de materiales técnicos con buenas propiedades mecánicas, las convierten en una alternativa prometedora para aquellas aplicaciones en las que la impresión 3D FDM no es adecuada.

Además, la posibilidad de imprimir piezas sin necesidad soportes y mecanismos móviles ya ensamblados, hace que la impresión SLS se convierta en la tecnología ideal al reducir y simplificar el postprocesado de las piezas.