La extrusión de materiales es uno de los siete procesos de fabricación aditiva reconocidos a nivel mundial. Ha ayudado a transformar prototipos y producir piezas complejas. Es único por su simplicidad, rentabilidad y fácil acceso. Desempeña un papel importante en aplicaciones donde la personalización, el uso de diversos materiales y la velocidad de procesamiento son cruciales.
La extrusión de material destaca en las impresoras 3D de escritorio e industriales, ya que garantiza la fabricación de objetos capa por capa. A diferencia de la extrusión tradicional, que crea formas continuas mediante un troquel, la extrusión de material funde y deposita el material en patrones específicos para formar objetos 3D.
Contenido
¿Qué es la extrusión de material?
La extrusión de material es una técnica de fabricación aditiva (FA) que se utiliza para construir piezas 3D capa a capa mediante la deposición continua de un filamento de materiales termoplásticos o compuestos. El filamento se deposita en capas 2D cortadas mediante una boquilla calentada.
El primer sistema de extrusión de material patentado y comercializado fue el modelado por deposición fundida (FDM), inventado por SS Crump y comercializado por Stratasys en 1989. Sin embargo, un público más amplio de fabricantes también lo denomina fabricación por filamento fundido (FFF).
Los informes de la encuesta del mercado de extrusión de materiales proyectan una tasa de crecimiento anual compuesta (TCAC) del 13.5 %. Se espera que el mercado, que registró 10.5 2024 millones de dólares en 25.7, alcance los 2033 XNUMX millones de dólares en XNUMX, gracias a la creciente demanda de los consumidores y la adopción por parte de la industria.
Proceso de extrusión de materiales
El proceso de extrusión de material normalmente sigue una secuencia sistemática:
Cargando el material
El proceso comienza introduciendo un filamento termoplástico, un gránulo, una pasta u otra forma adecuada de material en la impresora.
Calentamiento/fusión
El material pasa a través de una zona calentada donde alcanza su punto de fusión, volviéndose lo suficientemente suave y viscoso para fluir, pero no tan líquido como para que se aleje del lugar donde se aplica.
Extrusión a través de una boquilla
El material fundido o viscoso se empuja a través de una pequeña boquilla, generalmente con la ayuda de un mecanismo de accionamiento o un sistema de émbolo.
Deposición capa por capa
El cabezal de impresión o la plataforma de impresión se mueven siguiendo trayectorias preprogramadas (basadas en un modelo CAD), depositando el material capa por capa en cortes 2D. Cada capa se enfría y solidifica antes de aplicar la siguiente, y se combinan para formar el objeto 3D completo.
Materiales utilizados en la extrusión de materiales
La extrusión de materiales admite una amplia gama de materiales, cada uno de los cuales ofrece propiedades únicas para diferentes aplicaciones:
Termoplásticos y polímeros
Los polímeros y termoplásticos más utilizados incluyen PLA (ácido poliláctico), ABS (acrilonitrilo butadieno estireno) y PETG (polietilen tereftalato glicol). Su uso está muy extendido por su facilidad de impresión, resistencia y fácil disponibilidad.
Materiales compuestos y reforzados con fibra
Los compuestos, como los termoplásticos reforzados con fibras de carbono, fibras de vidrio o partículas metálicas, también se utilizan para la extrusión. Garantizan un mejor rendimiento mecánico.
Filamentos flexibles y especiales
El TPU (poliuretano termoplástico), los filamentos conductores y los plásticos resistentes a la temperatura amplían la gama de posibles casos de uso.
Pellets y pastas
También se utilizan para la extrusión materiales como pellets de plástico crudo o arcilla cerámica (pasta). Estos materiales son esenciales en diversas industrias, por ejemplo, en el sector sanitario, mediante la producción de biomateriales para aplicaciones médicas.
Tipos de técnicas de extrusión de materiales
La extrusión de materiales tiene varias técnicas que dependen de la función y forma del material en uso, por mencionar algunas:
Fabricación de filamentos fundidos (FFF)
También conocido como modelado por deposición fundida, es la técnica de extrusión de materiales más común. Utiliza filamento en bobina, fundido y extruido a través de una boquilla calentada, que se deposita sobre una estructura precalentada.
Extrusión de pellets
Una técnica similar tanto al FDM como al moldeo por inyección. Alimenta los pellets a una boquilla mediante un sistema de tornillo y cilindro, como en el moldeo por inyección, y los extruye para construir piezas capa a capa, como en el FDM. La extrusión de pellets en la fabricación aditiva también se conoce como fabricación de granulado fundido (FGF).
Extrusión de pasta o arcilla
La extrusión de pasta o arcilla se realiza mediante un extrusor de pistón, un extrusor de válvula de barrena o un extrusor de válvula de aguja. Estos tres mecanismos constan de un sistema de jeringa y émbolo, pero sus procesos de extrusión difieren.
Extrusión de biomateriales
También conocida como bioimpresión por extrusión, es una técnica que implica la extrusión de biotintas a través de una boquilla para crear estructuras que pueden imitar tejidos u funciones de órganos.
Ventajas y desventajas de la extrusión de materiales
Ventajas
Bajo costo
El equipo y los materiales utilizados cuestan relativamente menos, lo que lo hace ideal para principiantes y entornos educativos.
Accesibilidad
Las impresoras 3D de escritorio que utilizan extrusión de materiales están ampliamente disponibles, son fáciles de aprender y de usar.
Diversidad de materiales
La extrusión de materiales admite una variedad de termoplásticos, compuestos y materiales especiales.
Personalización
Permite la creación rápida de prototipos y la producción bajo demanda de piezas personalizadas.
Desventajas
Acabado de la superficie
Las piezas extruidas a menudo requieren posprocesamiento debido a las líneas de capa visibles y las superficies rugosas.
Anisotropía
La resistencia varía según la orientación de la impresión; por ejemplo, las piezas pueden ser más débiles a lo largo del eje Z.
Resistencia limitada del material
En comparación con otros procesos de fabricación aditiva, como la fusión de lecho de polvo, la extrusión de material puede producir propiedades mecánicas inferiores.
Aplicaciones de extrusión de materiales
La extrusión de materiales se utiliza en diversas industrias para diferentes propósitos, entre ellos:
Prototipos Rápidos
Los ingenieros y diseñadores lo utilizan para crear prototipos funcionales de forma rápida y rentable.
Piezas de uso final
En sectores como el automotriz y el aeroespacial, la extrusión de materiales se utiliza para producir plantillas, accesorios y piezas de producción de bajo volumen.
Informática
Se utiliza para fabricar andamios, prótesis y también tejidos bioimpresos para usos médicos.
Arquitectura y Construcción
La extrusión de pasta a gran escala se utiliza para imprimir estructuras de hormigón y componentes arquitectónicos.
Envasado de alimentos
También se utiliza para elaborar alimentos comestibles como chocolates y otros snacks, cereales, pastas, etc.
Extrusión de materiales en la fabricación aditiva
La extrusión de materiales es uno de los siete procesos estándar de fabricación aditiva definidos por ASTM. Suele ser el primer método al que se enfrentan los nuevos usuarios por su precio asequible y sencillez. A diferencia de los métodos basados en polvo, no requiere atmósfera controlada ni post-sinterización. Esto lo hace más accesible para pequeñas empresas y particulares.
A medida que la industria evoluciona, la extrusión de materiales continúa expandiéndose hacia dominios industriales donde se requieren herramientas personalizadas, producción de series cortas y geometrías complejas.
¿Cuál es la diferencia entre la inyección de material y la extrusión de material?
La siguiente tabla explica las diferencias entre chorro de material y extrusión de materiales.
| Criterios | Extrusión de materiales | Inyección de material |
|---|---|---|
| Proceso | Aplica material parcialmente fundido en líneas y puntos. Resolución: ~0.5–1 mm. | Aplica resinas líquidas en gotas. Resolución: a menudo inferior a 0.05 mm. |
| Construcción de capas | Utiliza una sola boquilla aplicadora. La velocidad de aplicación está limitada por el recorrido de la boquilla. | Utiliza cabezales de inyección de tinta anchos (hasta 100 mm) para dibujar rayas completas por pasada, más rápido. |
| Construcciones de capa Z | Crea capas más gruesas (de 0.1 mm a 0.5 mm), lo que permite crear menos capas y más rápido. | Construye capas ultrafinas (16–50 µm), lo que requiere más capas y tiempo. |
| Costo del equipo | El equipo es relativamente sencillo y económico (FDM/FFF). | El equipo es complejo y costoso (1 o 2 órdenes de magnitud más que el FDM). |
Preguntas Frecuentes
¿Cuál es la diferencia entre la extrusión de material y la extrusión tradicional?
La extrusión de materiales (impresión 3D) crea piezas capa por capa a partir de archivos digitales, ideal para prototipos y formas complejas. Es precisa, flexible y tiene bajos costos de configuración.
La extrusión tradicional empuja el material a través de una matriz para crear formas continuas, como tubos o láminas. Es menos precisa, pero eficiente para la producción en masa, aunque los costos de configuración son mayores.
En resumen, la extrusión 3D es adecuada para piezas personalizadas de lotes pequeños, mientras que la extrusión tradicional es mejor para productos uniformes de gran volumen.