Entre los ingenieros de materiales del ámbito del diseño para fabricación aditiva (DfAM) existe desde hace tiempo la suposición de que los termoplásticos fabricados de forma aditiva son intrínsecamente inferiores a sus equivalentes moldeados por inyección. En la fabricación con filamento fundido (FFF) convencional, las piezas presentan con frecuencia propiedades mecánicas anisótropas, de modo que el eje vertical (ZX) solo alcanza una fracción de la resistencia del plano de construcción horizontal (XY).

Orion AM desarrolla soluciones a estas limitaciones mediante avances en el procesamiento térmico, demostrando que esta debilidad no es una limitación intrínseca de polímeros como la polieteretercetona (PEEK) y sus homólogos de ultra alta temperatura. Se trata, más bien, de una consecuencia de un historial térmico no optimizado durante la deposición.

Mediante un control preciso del historial térmico del PEEK, los sistemas de fabricación aditiva pueden alcanzar la resistencia del moldeo por inyección en piezas impresas en 3D, con una alta densidad relativa y un rendimiento mecánico casi isótropo directamente al salir de la placa de construcción.

Control del historial térmico & física de polímeros

El PEEK es un termoplástico semicristalino con un punto de fusión de 343°C y una temperatura de transición vítrea de 143°C. Su rendimiento mecánico, que incluye una alta resistencia a la tracción, rigidez y resistencia química, depende en gran medida de la formación y la alineación de sus estructuras cristalinas.

Al procesar polímeros semicristalinos en sistemas de impresión estándar, el historial térmico de cada cordón depositado queda fragmentado:

1. Extrusión y enfriamiento rápido: El polímero fundido sale de la boquilla a temperaturas superiores a 380° C y entra inmediatamente en contacto con el aire ambiente, más frío.
2. Diferencias de temperatura entre capas: Si la temperatura superficial de la capa subyacente desciende por debajo del punto de transición vítrea antes de aplicar el siguiente cordón, se detiene la difusión de las cadenas poliméricas a través del límite.
3. Formación de microhuecos: El entrelazamiento molecular incompleto crea espacios entre las capas y porosidad interna dentro de ellas, lo que da lugar a densidades relativas de entre el 87% y el 95% y a una grave deslaminación en el eje Z bajo carga.

Alcanzar la paridad estructural con el moldeo por inyección exige gestionar el historial térmico del polímero para que la interfaz se mantenga en el estado termodinámico óptimo para la interdifusión molecular y la cristalización uniforme.

Cristalización in situ: eliminación del recocido posterior

En los flujos de trabajo de procesamiento tradicionales, los componentes de PEEK impresos suelen someterse a un posprocesado secundario, como el recocido en horno, con el fin de inducir la cristalización y liberar las tensiones internas. Sin embargo, aunque el tratamiento térmico posterior a la impresión puede aumentar la cristalinidad global, las investigaciones demuestran que no puede eliminar las bolsas de huecos internos ni reparar la microporosidad ya fijada en la estructura durante la deposición. Y, lo que es más importante, el recocido no puede mejorar la unión entre capas que no se han fusionado correctamente durante la impresión. 

Para conseguir una resistencia óptima entre capas, la cristalización in situ en la impresión 3D de PEEK debe producirse de forma dinámica durante la construcción. El proceso patentado de calentamiento por radiación térmica (TRH) de Orion AM lo consigue mediante una arquitectura térmica desacoplada de varias zonas:

• Control de alta temperatura: Una cámara de construcción cerrada que funciona hasta 315° C (con control de la cama calefactada hasta 320° C) mantiene el equilibrio ambiental y evita la contracción térmica prematura.
• Calentamiento focalizado: Cada capa impresa se calienta hasta su temperatura de fusión ideal, lo que mejora la unión con la capa siguiente.

Al combinar radiación térmica no focalizada para la estabilidad geométrica global con un calentamiento focalizado de precisión, las cadenas poliméricas conservan la energía térmica suficiente para cristalizar a través de los límites entre capas durante la deposición. Esto permite la semicristalización in situ entre las capas y dentro de ellas durante la impresión, eliminando la necesidad de pasos de recocido posteriores a la impresión

Caso de estudio empírico: rendimiento mecánico del Solvay KetaSpire® PEEK 

Para evaluar el resultado mecánico de este historial térmico controlado, se realizaron ensayos independientes por terceros con KetaSpire® PEEK comercial de Syensqo (antes Solvay) procesado con el sistema TRH de Orion AM.

1. Densidad y porosidad

Los análisis por micro-TC y las mediciones de densidad por el método de Arquímedes confirman que los componentes de PEEK impresos con TRH alcanzan una densidad relativa de hasta el 99.95%. La eliminación casi total de los huecos internos produce una estructura interna homogénea, comparable a la de un material macizo moldeado por inyección.

2. Resistencia a la tracción e isotropía

La evaluación a tracción en las orientaciones estándar demuestra que el calentamiento radiativo permite que la resistencia de unión en el eje Z vertical iguale o supere los valores de referencia del moldeo por inyección:

Datos: ensayos de terceros con Solvay KetaSpire® PEEK mediante el proceso TRH de Orion AM.

El KetaSpire® PEEK de Syensqo (Solvay) impreso en orientación vertical (ZX) alcanzó una resistencia máxima a la tracción de 95.4 MPa, superando el valor de referencia de 91.0 MPa del moldeo por inyección estándar. Dado que la resistencia de la unión entre capas se aproxima a la resistencia intrínseca del hilo de polímero extruido, el rendimiento mecánico pasa a ser prácticamente independiente de la orientación de impresión o del ángulo de relleno

Conclusión

La suposición de que los polímeros impresos en 3D son intrínsecamente más débiles que los componentes moldeados refleja las limitaciones termodinámicas del calentamiento ambiental tradicional, no los límites del PEEK y de sus homólogos como materiales. Al gestionar el historial térmico del polímero mediante un calentamiento dirigido por radiación térmica, los sistemas aditivos pueden alcanzar hasta un 99.95% de densidad relativa, semicristalización in situ y propiedades de tracción verticales que igualan o superan los valores de referencia del moldeo por inyección.