Existe una variedad impresionante de termoplásticos que se pueden imprimir en impresoras 3D de escritorio para consumidores. A pesar de esto, la mayoría de los usuarios recurren a los filamentos de polilactida (PLA). No solo es el material más barato, sino también el más fácil de trabajar. Puede extruirse a 180 ° C y se pueden obtener buenos resultados incluso sin calentar la mesa. La desventaja de los objetos impresos con PLA es que son relativamente frágiles y no toleran bien las altas temperaturas. Para la creación de prototipos o la impresión de componentes livianos, PLA es excelente. Sin embargo, muchos usuarios superan rápidamente sus capacidades.
El siguiente paso suele ser el tereftalato de polietileno (PETG). No es mucho más difícil trabajar con él que el PLA, aunque es más confiable y soporta temperaturas más altas. En general, es más adecuado para crear piezas sometidas a esfuerzos mecánicos. Pero si necesita fabricar piezas aún más fuertes y resistentes al calor, puede cambiar a acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), policarbonato (PC) o nailon. Y aquí comienzan los problemas. Estos materiales se extruyen a temperaturas superiores a 250 ° C y para obtener mejores resultados, se recomiendan cámaras cerradas. Estas impresoras están en la parte superior del rango de presupuesto con el que los aficionados están dispuestos a trabajar.
Las impresoras 3D industriales como esta, la Apium P220, comienzan en alrededor de $ 30,000.
Sin embargo, las impresoras 3D industriales más caras pueden usar plásticos aún más fuertes: polieterimida (PEI) o algo de la familia de poliariletercetona (PAEK, PEEK, PEKK) ... Los componentes fabricados con estos plásticos son adecuados para aplicaciones aeroespaciales, ya que pueden reemplazar al metal sin dejar de ser mucho más livianos.
Dichos plásticos deben extruirse a temperaturas del orden de 400 ° C, y se requiere una cámara sellada para su funcionamiento, cuya temperatura supera constantemente los 100 ° C. Las impresoras más baratas de este tipo cuestan decenas de miles de dólares y algunos modelos incluso costarán seis cifras.
Naturalmente, no hace tanto tiempo, se podía decir lo mismo de todas las impresoras 3D. Alguna vez solo los laboratorios de investigación bien equipados usaban tales máquinas, pero ahora están en los bancos de trabajo de los piratas informáticos y aficionados de todo el mundo. Es difícil predecir si comenzará la misma carrera para reducir los precios en el caso de las impresoras 3D de alta temperatura, pero ya se han dado los primeros pasos para democratizar la tecnología.
Dificultades de ingeniería
En pocas palabras, la máquina que soporta estos llamados. "Plásticos de ingeniería", tienes que ser un híbrido de una impresora 3D y una estufa. Este, por supuesto, es el principal problema. La impresora en sí, el tipo y la calidad que estamos acostumbrados a ver en nuestros escritorios, no sobrevivirá en tales condiciones. Para que una impresora de consumo produzca piezas de plástico PEI y PEEK, debe reciclarse seriamente. Eso es lo que vino de NASA LulzBot TAZ 4 en 2016.
LulzBot TAZ 4, rediseñado para admitir impresión a alta temperatura
Primero, se tuvo que diseñar un cuerpo aislado para adaptarse al TAZ 4, y se tuvo que instalar un juego de lámparas infrarrojas de 35W para calefacción. En tales condiciones, la electrónica de la impresora se sobrecalentaría naturalmente, por lo que tuvieron que sacarla afuera.
Los motores paso a paso también se sobrecalentarían. Pero en lugar de llevarlos a cabo, un equipo del Centro de Investigación Langley decidió hacer cubiertas de enfriamiento en cada uno de los motores por los que debe circular el aire comprimido.
Como muchas impresoras 3D de escritorio , la TAZ 4 utiliza varios componentes impresos. Como son ABS, colapsarían rápidamente en una cámara diseñada para soportar PEEK. Fueron impresos desde PC, pero incluso este material no era lo suficientemente resistente para un uso constante. En la tradición clásica de RepRap, el equipo imprimió el último y tercer conjunto de componentes en la impresora más modificada, de plástico PEI, comercialmente llamado Ultem.
Sorprendentemente, el equipo tuvo pocos problemas para reemplazar la boquilla de la impresora por otra capaz de extruir plástico a 400 ° C. La popular extrusora E3D-v6 cuesta menos de $ 100 y ha demostrado ser capaz de mantener esa temperatura. Es cierto que el equipo tuvo que reemplazar el termistor por uno mejor, así como modificar el firmware de Marlin para permitirle alcanzar altas temperaturas. Con las impresoras convencionales, una temperatura demasiado alta debería provocar un apagado de emergencia.
Resultados de la impresión de plástico Ultem 1010 en un LulzBot TAZ 4 reciclado.
Al final, un informe de la NASA indicó que la reelaboración de LulzBot TAZ 4 fue completamente exitosa. Señalaron que el intento de imprimir el PEI con las lámparas infrarrojas apagadas falló: el modelo estaba delaminado y deformado, lo que era de esperar. Sin embargo, no indicaron el costo de la reelaboración, dado que en ese momento TAZ 4 costaba $ 2,200, el proyecto completo podría costar 10 veces más barato que propuestas comerciales similares.
Empezando desde cero
El experimento de la NASA demostró que una impresora 3D de escritorio existente se puede convertir para imprimir con plásticos de ingeniería de alta temperatura y de manera bastante económica. Pero casi nadie cree que este enfoque sea la solución ideal. Hay demasiadas operaciones repetitivas involucradas, y los ingenieros de la NASA tuvieron que abandonar algunas de las decisiones tomadas por los desarrolladores de LulzBot. Aún así, el experimento proporcionó una base valiosa para otros proyectos que se están construyendo desde cero.
En septiembre de 2020, un equipo de la Universidad Tecnológica de Michigan presentó CerberusEs una impresora 3D de alta temperatura de código abierto capaz de crear elementos de PEI y PEKK, cuyo montaje cuesta solo $ 1000. Sin intentar adaptar los diseños existentes, el equipo comenzó el desarrollo desde cero, con el objetivo de imprimir a alta temperatura. Todos los componentes electrónicos están alojados por separado de la cámara sellada mediante un elemento calefactor de kilovatios que eleva rápidamente la temperatura de la cámara a la temperatura de funcionamiento.
Todos los motores paso a paso también están fuera de la cámara. Debido a esto, la cinemática se vuelve más compleja que en las impresoras 3D de escritorio, pero Cerberus ya no requiere un sistema de enfriamiento especial para los motores.
Construir Cerberus es bastante asequible para el aficionado ambicioso. Tiene un circuito simplificado, electrónica de control lista para usar basada en Arduino Mega 2560 y RAMPS 1.4, y la misma extrusora E3D-v6 que TAZ 4. Además, el equipo ha presentado instrucciones claras y detalladas para ensamblar la impresora; esto no está en el informe de la NASA. reunirse.
Ampliando oportunidades
Ya sea que se trate de una reelaboración del TAZ 4 de la NASA o de nuevos diseños como Cerberus, está claro que las capacidades técnicas de la impresión PEI y PEEK en el taller doméstico ya están disponibles para quienes las necesitan desesperadamente. Si bien no es tan fácil como comprar una impresora 3D de $ 200 en Amazon, sin embargo, si surge la demanda, habrá máquinas más baratas en el mercado basadas en los mismos principios. La situación no es muy diferente de la ola actual de cortadoras láser asequibles que ingresaron al mercado en los últimos años.
Ventiladores de todo el mundo imprimen EPI
¿Existe demanda de este tipo de máquinas? Hace un año, la respuesta podría haber sido diferente a la actual. Pero en el proceso de abordar la pandemia de coronavirus, existe una nueva demanda de fabricación rápida de equipos de protección personal (EPI) que nadie podría haber previsto.
Como se describe en el artículo de Cerberus, el equipo se apasionó por desarrollar una impresora 3D asequible de alta temperatura precisamente porque se puede utilizar para imprimir PPE que se puede esterilizar a altas temperaturas. El equipo cree que las máscaras impresas con PEKK se pueden reutilizar en lugar de desechar.
Los componentes que pueden imprimirse y esterilizarse repetidamente tendrán, obviamente, otras aplicaciones médicas potenciales. Una máquina portátil de bajo costo capaz de producir tales componentes tiene el potencial de salvar vidas en lugares del planeta donde no es posible acceder rápidamente a suministros y equipos.
Los críticos de la impresión 3D a menudo han dicho que el principal inconveniente de estas máquinas es que la confiabilidad de los artículos que fabrican rara vez les permite usarse para otra cosa que no sea la creación de prototipos. Pero cuando una impresora de $ 1,000 comienza a producir componentes de calidad aeroespacial, nos dirigimos a una revolución de fabricación a un ritmo sin precedentes.