Modificación de plásticos de ingeniería para impresión 3D

La tecnología de impresión 3D es una tecnología de procesamiento innovadora que se ha desarrollado en los últimos años, la cual puede transformar modelos digitales en objetos físicos, con amplias perspectivas de aplicación. Actualmente, los materiales principalmente utilizados en la tecnología de impresión 3D son materiales poliméricos, que son fáciles de procesar, pero cuyas propiedades mecánicas son pobres, lo que los hace inadecuados para campos con altos requisitos de resistencia y rigidez (como automoción, dispositivos médicos y electrodomésticos).

Tecnología de Impresión 3D

En la actualidad, la tecnología de impresión 3D adecuada para plásticos de ingeniería se puede dividir en cuatro tipos: Modelado por Deposición Fundida (FDM), Estereolitografía (SLA), Sinterización Selectiva por Láser (SLS) y Fabricación de Objetos Laminados (LOM), siendo el FDM el más ampliamente utilizado.

Introducción a la Tecnología FDM

El proceso de moldeo por FDM se divide principalmente en dos partes: el proceso de extrusión y el proceso de deposición, es decir, los polímeros termoplásticos se extruyen a través de la boquilla bajo calor y presión, mientras que la boquilla se mueve a lo largo de la trayectoria establecida para apilar capas bidimensionales capa por capa. La tecnología FDM, debido a sus ventajas como bajo costo, facilidad de operación, amplia gama de materiales aplicables y alta tasa de utilización de materiales, ha recibido una amplia atención, con investigaciones que abarcan diversos campos como medicina, aeroespacial y educación.

Desarrollo de la Tecnología FDM

Con el desarrollo y la popularización de la tecnología de impresión 3D, la tecnología FDM inevitablemente se aplicará en más campos. La tecnología FDM no solo puede adaptarse a las estructuras y formas complejas de las aeronaves, mejorando su rendimiento y seguridad, sino que también puede acortar los tiempos de fabricación y reducir los costos. Sin embargo, la tecnología y los equipos de FDM nacionales aún necesitan mejorar aún más la precisión de impresión, la estabilidad y la confiabilidad para cumplir con los altos estándares del campo aeroespacial.

Tecnología de Modificación de Plásticos de Ingeniería

Los plásticos de ingeniería tienen excelentes propiedades, pero existen diferencias significativas entre las propiedades de los materiales de los plásticos de ingeniería y la tecnología de procesamiento de impresión 3D, que incluyen principalmente los siguientes aspectos:

1, La mala fluidez del material conduce a la inestabilidad y discontinuidad en el proceso de impresión, afectando la calidad superficial y la precisión dimensional de los productos.

2, La baja temperatura de degradación térmica del material afecta las propiedades mecánicas y la durabilidad del material bajo altas temperaturas de impresión.

3, La baja resistencia del material limita la capacidad de carga y la resistencia al impacto de los productos, afectando su seguridad y confiabilidad.

4, El enfriamiento no uniforme del material resulta en tensiones internas y deformación de los productos, afectando la estabilidad geométrica y la precisión dimensional de los productos. Al mismo tiempo, los requisitos de rendimiento de los plásticos de ingeniería suelen ser más altos que los de los plásticos comunes. Por lo tanto, para abordar los problemas de los plásticos de ingeniería en la impresión 3D, es necesario modificarlos para adaptarlos a las condiciones de procesamiento de la impresión 3D y cumplir con los requisitos de rendimiento de los productos.

Las tecnologías comunes de modificación de plásticos de ingeniería incluyen principalmente los siguientes cuatro tipos:

1, Agregar lubricantes, rellenos inorgánicos, recubrimientos de superficie en polvo y otras sustancias para aumentar la fluidez y la procesabilidad de los plásticos de ingeniería.

2, Agregar materiales de refuerzo como fibras de vidrio, fibras metálicas y fibras de madera para mejorar la rigidez y la resistencia de los plásticos de ingeniería, haciéndolos adecuados para una modificación mejorada en condiciones de alta temperatura y presión de la impresión 3D.

3, Acelerar la velocidad de solidificación de los plásticos de ingeniería y reducir el estrés residual mediante el uso de agentes nucleantes adecuados y compuestos con diferentes capacidades de calor para una modificación rápida de la solidificación.

4, Dotar a los plásticos de algunas funciones especiales (como conductividad, conductividad térmica, autorreparación, biocompatibilidad, etc.) para ampliar el rango de aplicación y el potencial de los plásticos de ingeniería en el campo de la fabricación de impresión 3D.

En resumen, la tecnología de modificación de plásticos de ingeniería puede mejorar el rendimiento de los plásticos de ingeniería, expandir su aplicación más amplia, proporcionar más opciones e innovaciones para la impresión 3D y ampliar aún más el potencial de aplicación de la impresión 3D en más campos.

Modificación Común de Plásticos de Ingeniería para Impresión 3D

Modificación de ABS

El ABS es un material polimérico termoplástico comúnmente utilizado, con ventajas como alta resistencia, buena tenacidad y facilidad de procesamiento. Para mejorar aún más el rendimiento del ABS, a menudo es necesario modificarlo.

La fibra de vidrio es un material de refuerzo comúnmente utilizado que puede mejorar la resistencia, dureza y durabilidad del ABS. En la aplicación de piezas de automóviles impresas en 3D, los materiales compuestos de ABS reforzados con fibra de vidrio muestran un rendimiento excelente, produciendo piezas más robustas y duraderas.

La montmorillonita orgánica (OMMT) es un modificador de ABS efectivo que puede mejorar significativamente las propiedades mecánicas y térmicas del material. Los nanocompuestos ABS/OMMT preparados con OMMT tienen un módulo de tracción, resistencia a la flexión, módulo de flexión y módulo de almacenamiento de energía más altos, mientras que la expansión térmica lineal y la pérdida de peso térmica se reducen significativamente.

El plástico ABS no solo tiene buena resistencia a la deformación y resistencia a la corrosión, sino que también tiene una alta resistencia al calor. Sin embargo, durante los procesos de impresión a alta temperatura, todavía puede haber un fenómeno de disminución de la fluidez, lo que resulta en una mala calidad de las piezas impresas. Materiales como el polvo de talco y el polvo de mica tienen una alta fluidez y, cuando se usan como aditivos para modificar el ABS, pueden reducir efectivamente su viscosidad fundida y el estrés térmico, mejorar sus propiedades reológicas, mejorando así la fluidez durante el proceso de impresión y la calidad de las piezas impresas. Además, el polvo de talco y el polvo de mica pueden mejorar aún más la rigidez y la resistencia al calor del ABS, mejorando su estabilidad en entornos de alta temperatura.

Actualmente, una empresa china ha desarrollado materiales compuestos de ABS/nano-TiO2. Después de la impresión 3D, este material compuesto no solo mantiene la estabilidad de los principales parámetros de rendimiento del ABS, sino que también aumenta las propiedades mecánicas del ABS, mostrando una mejor resistencia y tenacidad.

Las modificaciones anteriores proporcionan perspectivas más amplias para la aplicación del ABS y ofrecen opciones de materiales más excelentes para la impresión 3D en múltiples campos.

Modificación de PA

El poliamida (PA) es un plástico de ingeniería de alto rendimiento ampliamente utilizado en la vida diaria debido a sus ventajas como alta resistencia, buena flexibilidad, alta temperatura de deformación térmica y baja contracción. En comparación con el ABS, el PA tiene mejor tenacidad y mayor resistencia al impacto, y su aplicación en la impresión 3D se valora cada vez más.

Además, a través de la modificación, se pueden mejorar las propiedades mecánicas del PA, lo que amplía aún más su rango de aplicación. Zhang Zhengyi et al. prepararon materiales compuestos de polvo PA12/MWCNTs utilizando métodos de molienda de corte en fase sólida, lo que resultó en una mejora significativa en la resistencia a la tracción y la resistencia al impacto por muesca.

Modificación de PEEK

El polieteretercetona (PEEK) es un material polimérico de alto rendimiento con excelentes propiedades físicas y químicas como resistencia a altas temperaturas, resistencia al desgaste, estabilidad dimensional, aislamiento eléctrico y biocompatibilidad. Tiene un enorme potencial y valor de investigación en la tecnología de impresión 3D, especialmente en campos de alta gama como la aeroespacial, automotriz y médica.

El material PEEK se puede utilizar para fabricar componentes estructurales y funcionales complejos. Con el progreso continuo e innovación de la tecnología de impresión 3D, la aplicación del material PEEK en la impresión 3D ha mostrado tendencias de desarrollo diversificadas y extensas. La Agencia Espacial Europea utilizó material PEEK para imprimir componentes de pequeños satélites.

Aunque el PEEK tiene excelentes propiedades físicas y químicas, su alto punto de fusión y viscosidad dificultan su impresión utilizando impresoras 3D tradicionales. Basado en esto, Dai Jing propuso un nuevo método de impresión 3D, que acelera el proceso de fusión de los plásticos de ingeniería mediante el aumento del coeficiente de temperatura positivo y las lámparas de radiación térmica, y optimizando los parámetros de impresión. Los resultados mostraron que el nuevo método puede imprimir material PEEK, y la velocidad de alimentación afecta significativamente la tasa de llenado del producto. Esta investigación proporciona una solución factible para el uso de plásticos de ingeniería especiales en la tecnología de impresión 3D, promoviendo la aplicación más amplia de plásticos de ingeniería en el campo de la impresión 3D.

Conclusión

La investigación y desarrollo de la tecnología de modificación de plásticos de ingeniería para impresión 3D es de gran importancia. Al mejorar las propiedades mecánicas, resistencia al calor, resistencia a la corrosión y conductividad de los materiales, se puede expandir la aplicación de la tecnología de impresión 3D en diversos campos, y se puede mejorar la funcionalidad y calidad de los productos impresos en 3D. Sin embargo, todavía existen algunos problemas y desafíos en la tecnología de modificación de plásticos de ingeniería para impresión 3D, como efectos de modificación inestables, mecanismos de modificación poco claros y altos costos de modificación, que requieren más investigación y exploración.