¿Alguna vez has querido crear algo con tu impresora 3D que incluyese componentes electrónicos? ¿Quizás sensores, trazas conductivas o apantallamientos contra ruidos de radiofrecuencias?

Los filamentos conductivos para impresión 3D FFF/FDM han sido diseñados para usuarios interesados en combinar la impresión 3D y la electrónica. Ensamblajes conductivos que integran interruptores, potenciómetros, LED, sensores táctiles capacitivos… Todo ello y mucho más es posible gracias a ellos.

Específicamente desarrollados para permitir la impresión en 3D de componentes electrónicamente conductores, los filamentos conductivos son materiales muy fáciles de imprimir y compatibles con casi cualquier impresora 3D FDM/FFF del mercado.

Aplicaciones

Sus aplicaciones son muchas y variadas, pero destacan especialmente:

Sensores

El filamento conductivo se puede utilizar para crear sensores capacitivos (touch) utilizados en una amplia gama de productos electrónicos que son utilizados en el día a día; es un material excelente para el diseño de dispositivos de interfaz humana (lápices-punteros para móviles y tablets).

Video 1: Lapiz puntero. Fuente: Proto-Pasta.

Los sensores capacitivos de detección también se pueden utilizar para medir la proximidad, la posición, la humedad, los niveles de líquido y la aceleración.

Creación de circuitos

Otra aplicación del filamento conductivo está en la creación de circuitos conductores de electricidad para usos en electrónica que, en el caso de los filamentos conductivos flexibles, también será aplicable para electrónica flexible.

Imagen 1: Circuito conductor. Fuente: Recreus.

Tradicionalmente, para poder agregar circuitos conductores a sus creaciones, los entusiastas de la impresión 3D tenían que diseñar las piezas con los surcos necesarios para una vez finalizada la impresión añadir hilo de cobre. Con el filamento conductivo se puede imprimir el cableado simultáneamente al proceso de construcción de la pieza.

Apantallamiento contra ruidos de radiofrecuencia e interferencias electromagnéticas

La alta conductividad ofrecida por el filamento conductivo no sólo es excelente para circuitos impresos en 3D y sensores, también es útil para su uso contra EMI (interferencia electromagnética) y en aplicaciones de apantallamiento de RF (Radiofrecuencia) muy importante en una amplia gama de industrias. El apantallamiento EMI / RF se utiliza para bloquear el campo electromagnético y la radiación electromagnética de radiofrecuencia dentro de un espacio; es importante utilizar EMI y protección de RF en un hospital, laboratorio, o en configuraciones de la industria aeroespacial para proteger contra las señales de la competencia, ya que pueden conducir al equipamiento propio a dar falsas mediciones. El apantallamiento EMI/RF logra esto mediante el bloqueo de AM, FM, TV, servicios de emergencia, y las señales telefónicas. El filamento conductivo es ideal para el diseño de pantallas contra RF / EMI utilizados en elementos altamente personalizados.

Consejos de uso

Diseñados para usarse con impresiones destinadas a la operación a temperatura ambiente y para ser utilizados solamente en proyectos de bajo voltaje y baja corriente (no se puede exceder de 12 voltios), los filamentos conductivos deben evitarse para el suministro de energía que exceda de 100 mA.

Imprimir con filamentos conductivos (PLA) es practicamente igual de sencillo que imprimir con PLA estándar. No es necesario disponer de una impresora 3D con cama caliente, aunque en caso de tenerla se recomienda utilizar la cama caliente a 50-60º C ya que se obtiene una adherencia mayor.

Se debe evitar al máximo la posible contaminación del filamento conductivo con la suciedad de las manos o el polvo del ambiente por lo que se aconseja su almacenamiento en un lugar seco y alejado de estas y/u otras partículas. También se recomienda lavarse las manos antes y después de su uso y tratarlo con guantes. El usuario debe evitar la exposición prolongada a la humedad.

Se recomienda un nozzle para la impresión de filamento conductivo de al menos 0.4 / 0.5 mm. La boquilla de la impresora 3D siempre debe lavarse antes y después de usar el filamento para evitar complicaciones en la impresión. El filamento conductivo tiene tendencia a adherirse a las boquillas (nozzle) de latón por lo que se recomienda limpiar la superficie externa de la boquilla antes de imprimir con aceite (técnico o doméstico) o lubricante para disminuir la acumulación del material en el exterior de la boquilla durante la impresión. También se puede utilizar la pintura repelente de plástico.

Imagen 2: Pintura repelente de plástico. Fuente: Sliceengineering.

Las propiedades intrínsecas del filamento conductivo son tales que no se debe dejar inactivo en el extrusor de la impresora 3D (mientras no se está imprimiendo) ya que se puede expandir y causar la obstrucción del nozzle (Clogging). Por tanto, después de la impresión, se debe retirar el filamento lo antes posible del extrusor y utilizar filamento de limpieza.

Imagen 3: Filamento de limpieza. Fuente: Smart Materials.

Además es muy importante imprimir a la temperatura recomendada, ya que en caso de imprimirlo a una inferior la viscosidad de la masa fundida no será óptima por lo que se expandirá y obstruirá la boquilla; y en caso de imprimirlo a una mayor temperatura, resultará en una degradación parcial junto con una agregación sustancial de nanomateriales produciendo también la obstrucción de la boquilla.

En el supuesto de una obstrucción total de la boquilla, se deberá tratar de desatascarla calentándo el nozzle a 200ºC y con un hilo de cobre tratar de eliminar la obstrucción, o intentar fundir ABS o PLA (filamentos rígidos) para arrastrar el material atrapado, o sumergirla en acetona, etc. En caso de no conseguir solucionar el problema, será preciso cambiar la boquilla por una nueva. Para evitar esto se debe tener en cuenta todos los consejos anteriormente citados.

Por otra parte también es muy importante tener perfectamente nivelada la base de la impresora 3D ya que en caso contrario se acumulará una significativa cantidad de material en la superficie externa de la boquilla, que al solidificarse obstruirá el flujo de la masa fundida. Por tanto, se debe limpiar la superficie externa de la boquilla enfriada con alcohol si esto sucede.

Filamentos conductivos en el mercado

PLA Conductivo (Proto-Pasta): Con una temperatura de reblandecimiento similar al PLA, el filamento conductivo de Proto-Pasta es más flexible, pero presenta una menor adhesión entre capas. Factible para controlar cualquier elemento a través de una resistencia de 1Kohm, resulta ideal en circuitos de baja tensión, teclados digitales que requieran baja conductividad, arduino, sensores táctiles, robótica y en electrónica.

Filamento de grafeno Koltron G1 (Addnorth): Aditivado con Aros Graphene, un grafeno desarrollado y patentado por la empresa Graphmatech y con una matriz basada en fluoruro de polivinildieno (PVDF), un polímero avanzado que presenta unas excelentes propiedades mecánicas, químicas y térmicas, el filamento Koltron G1 posee una resistividad volumétrica de tan sólo 2 Ω-cm.

Filaflex Conductivo (Recreus): A continuación, analizaremos en mayor profundidad este filamento.

Filaflex Conductivo (Recreus)

El Filaflex Conductivo es un filamento elástico de TPU flexible. Con una dureza 92A, alcanza un 100% de alargamiento a la rotura. Tras el estiramiento vuelve a su forma original, sin deformarse ni romperse, presentando unas excelentes propiedades mecánicas. El filamento Filaflex Conductivo ofrece una resistividad volumétrica de aproximadamente 3.9 Ω-cm, mucho mayor que la de otros filamentos conductivos.

El propio fabricante ofrece una serie de tips capaces de resolver cualquier duda que pueda surgir a la hora de imprimir con este filamento:

1. Boquilla endurecida: No es necesario su uso con el filamento Filaflex Conductivo. No obstante, en caso de un uso intenso sí que se recomendaría para evitar un desgaste excesivamente rápido de esta.
2. Seguridad: Imprimir con el filamento Filaflex Conductivo es totalmente seguro y no dañará la impresora, pero para mantenerla en las condiciones óptimas es aconsejable limpiar muy bien la boquilla al terminar de imprimir con el filamento. Así, se eliminará cualquier tipo de resto que haya podido quedar en el hotend. El uso de X una vez finalizada la impresión es un paso extra que también ayudará en la limpieza.
3. Material conductor: Para que el filamento sea conductivo, desde Recreus informan que utilizan una formulación especial que contiene negro de humo y es este elemento el que dota de conductividad al filamento Filaflex Conductivo.
4. Flexibilidad: Después de la impresión con el filamento, su característica elasticidad no se pierde. La pieza final resultante siempre será flexible y conductora de electricidad, manteniendo intactas sus otras propiedades.
5. Dureza Shore: Presenta una dureza Shore 92A, haciéndolo compatible para su uso en casi cualquier impresora (bowden incluidas).
6. Resistencia: Filaflex Conductivo presenta una resistividad eléctrica de 3.9 Ω-cm aproximadamente, pero para asegurarse del cumplimiento de sus funciones el usuario debe tener en cuenta que la resistencia cambia dependiendo de su impresión. Además, también hay que considerar la resistencia eléctrica del circuito y no olvidar que el filamento está diseñado para aplicaciones de baja corriente.
7. Adhesión entre capas: Debido a su alta carga de carbono, el calor se verá disipado muy rápido y la adherencia de la pieza quedará afectada según su geometría. Ajustando algunos parámetros de impresión (velocidad 20-25 mm/s, temperatura 240-255 ºC, no usar ventilador de capa) el usuario podrá solucionar dicha rápida disipación.

Video 2: Flexibilidad y conductividad con Filaflex Conductivo. Fuente: Recreus.

En conclusión, los filamento conductivos son materiales específicamente diseñados para permitir la impresión en 3D de componentes electrónicamente conductores usando casi cualquier impresora 3D FDM/FFF disponible en el mercado, ampliando las capacidades de la fabricación aditiva o impresión 3D y permitiendo acortar el camino del desarrollo a la aplicación comercial.