Hace unos meses te hablábamos del lanzamiento de Zortrax Endureal, una impresora 3D industrial de alto rendimiento que destaca sobre todo porque es capaz de utilizar materiales de muy alto rendimiento para la industria. Hoy te mostramos un ejemplo de ello, en el que hablaremos de aplicaciones aeroespaciales de Zortrax Endureal con PEEK.
¿Qué es el PEEK?
La polieteretercetona es un Polímero técnico termoplástico semicristalino, más conocido en la industria por sus siglas: PEEK. Se trata de un polímero orgánico termoplástico incoloro que se emplea en aplicaciones de ingeniería, gracias a sus destacadas propiedades tanto térmicas como mecánicas, incluso bajo condiciones extremas de temperatura, energía radiante y agresividad química.
Entre sus propiedades, se encuentran una alta resistencia a la abrasión, al óxido de etileno, a los hidrocarburos halogenados, disolventes, refrigerantes, aceites minerales, grasas y fluidos de transmisión, y en general a una gran cantidad de componentes químicos. Además, absorbe poca humedad, es retardante de llama y reciclable. Y todo ello aportando excelentes propiedades de fuerza y rigidez. Podríamos seguir enumerando características y ventajas de este material, pero la conclusión está clara: se trata de un material ideal para aplicaciones industriales de alta demanda. ¿La principal desventaja? Su alto coste, en comparación con otros materiales.
No es de extrañar que el PEEK sea un material altamente apreciado en la industria aeroespacial, donde la exigencia para los materiales es máxima, y donde además hay un elevado número de proyectos de I+D que utilizan este tipo de materiales para investigar posibles nuevas aplicaciones. Por ejemplo, el PEEK ha sido ampliamente testeado por JAXA, la agencia espacial japonesa, y varias muestras de PEEK han pasado distintos tests y han estado expuestas al espacio exterior en la Estación Espacial Internacional (ISS).
El ejemplo que mostramos en este artículo es una prueba de las posibilidades de Zortrax Endureal en este sector tan exigente, mediante la fabricación de modelos conceptuales hechos con PEEK y con una mezcla especial de PEEK desarrollada por la Agencia Espacial Europea (ESA) con propiedades de conductividad eléctrica.
Los ingenieros del European Space Research and Technology Centre (ESTEC) desarrollaron estudios para aumentar más si cabe el rendimiento de este material. Así, en 2018 publicaron un paper describiendo las características de un filamento 3D PEEK con propiedades de conductividad eléctrica. El PEEK no es de por sí un material conductor, pero se ha podido rediseñar para ser un material apto para la transferencia de energía o de datos. El equipo de investigadores lo hizo posible mediante la mezcla de PEEK con nanotubos de carbono y nanopartículas de grafito, en las proporciones justas para facilitar la conductividad.
Sin embargo, a esta investigación le faltaba una pieza clave: una impresora 3D capaz de fabricar piezas con este material. Es por ello que Zortrax llevó a cabo un proyecto de investigación para llevarlo a cabo. Los ingenieros de la empresa polaca consiguieron aumentar la rigidez del sistema de extrusión, lo que a su vez se tradujo en una mejor precisión dimensional. También fue todo un reto conseguir que las dos boquillas de extrusión mantuvieran sus posiciones relativas estables durante todo el proceso de impresión. Otra mejoras resultantes del hardware permitieron que la Endureal alcanzara mayores temperaturas de trabajo, hasta 480° C de temperatura máxima de extrusión, y 200° C y 220° C, respectivamente en la cámara de impresión y en la bandeja de construcción, para reducir el warping y la contracción de los materiales de alto rendimiento. Además, cada una de estas temperaturas pueden ser definidas con precisión y de forma independiente por el usuario.
Por si fuera poco, el volumen de impresión de la Zortrax Endureal (400 x 300 x 300 mm) permite alojar enteramente nano satélites 1U y 2U. Si además a ello le sumamos la tecnología de extrusión dual, tenemos en definitiva una impresora 3D perfecta para aplicaciones aeroespaciales.
Reinventando la doble extrusión
En el caso de este proyecto de investigación, el objetivo era permitir a la industria diseñar un sistema de circuitería y cableado, incrustarlo en el cuerpo de un polímero e imprimirlo en 3D de una sola vez a través de una impresora. Todo ello además con propiedades similares al acero, como las del PEEK. De ese modo se consiguen componentes capaces de soportar condiciones de exposición al espacio exterior, con capacidades simples de transmisión de datos y de energía.
Para conseguir esto, Zortrax ha ido un paso más allá en el desarrollo de la tecnología de doble extrusión. Normalmente esta permite a una impresora 3D trabajar intercambiando dos materiales, con dos boquillas distintas. Lo más común es utilizar un material de construcción y otro de soporte (ya sea soluble o un material quebradizo fácil de quitar). Pero para este proyecto Zortrax ha redefinido el funcionamiento de la extrusión dual. En lugar de fabricar modelos y soportes con materiales separados, ahora se puede definir exactamente qué parte de la pieza necesita cada tipo de material. Las pruebas se realizaron con el material PEEK con conductividad eléctrica de la ESA, y fueron todo un éxito.
Esta capacidad de fabricar modelos con dos polímeros de alto rendimiento abre un nuevo mundo de posibilidades para el sector aeroespacial. Los modelos ya han sido testados con unos ratios de transferencia de datos de 9600 bits por segundo sobre el protocolo RS-232, lo cual es más que suficiente para manejar emergencias en el espacio.
Por otro lado, esta misma tecnología también podría ser usada en el futuro para llevar a cabo la llamada impresión 4D, esto es, piezas que cambian de propiedades a medida que transcurre el tiempo (cuarta dimensión). Por ejemplo, hay materiales cuyas propiedades varían en respuesta a cambios en la temperatura o en la corriente eléctrica, lo que permite fabricar manipuladores funcionales que actúen de forma automática cuando la temperatura de alrededor exceda un umbral determinado, o bajo demanda cada vez que se aplique una corriente eléctrica.
De todo este proceso Zortrax valora especialmente que la Endureal posee de base toda la tecnología necesaria para hacer este tipo de desarrollos. Es decir, no se ha modificado la máquina con desarrollos ad hoc para hacer otro tipo de investigaciones, sino que el modelo que está a la venta en el mercado es el mismo con el que se han llevado a cabo estas pruebas.
