Los plásticos y la impresión 3D: enero 2018

Obtención de los plásticos

Los plásticos.

Los plásticos son materiales blandos, flexibles y poco densos compuestos principalmente por carbono . Actualmente se sintetizan a partir de materiales obtenidos del petróleo, o el gas natural, aunque en sus inicios en el siglo XIX se obtenía a partir de materia prima de origen vegetal o animal y posteriormente del carbón.

Composición.

Los plásticos están formados por moléculas de gran tamaño o macromoléculas. Cada una de estas moléculas está constituida por la unión grupos de átomos que se repiten formando una cadena. Cada agregado de átomos se denomina monómero y la unión encadenada de todos ellos es un polímero. Los nombres de cada polímero nos indican el monómero está constituido, por ejemplo el polietileno está compuesto por la unión de muchas moléculas de etileno.

Fabricación del plástico.

De forma resumida el polímero se obtiene introduciendo el monómero en un reactor a alta presión y temperatura. Asimismo el reactor contiene un disolvente y un catalizador que facilita la reacción química, además se le pueden introducir colorantes y cargas que abaratan el producto y mejoren sus propiedades físicas, químicas o mecánicas.

Después de efectuada la reacción de polimerización el producto se separa del disolvente y se seca. Finalmente se tritura y se distribuye en forma de bolitas, gránulos o polvo.

Propiedades de los plásticos

Propiedades de los plásticos.

Los plásticos no conducen la electricidad, tienen muy poca conductividad eléctrica por lo que se suelen utilizar como aislantes eléctricos, por ejemplo en los cables.

No conducen bien el calor, tienen baja conductividad térmica. Por ejemplo se usan en mangos de sartenes.

Tienen buena resistencia mecánica teniendo en cuenta el ligeros que son, por eso se usan mucho en la fabricación de juguetes.

Muchos plásticos queman con facilidad, son combustibles, ya que están formados sobre todo por carbono e hidrógeno.

La mayoría de los plásticos se ablandan con el calor lo que permite deformar en caliente y fabricar objetos de formas complicadas.

Los plásticos son materiales muy baratos lo que ha hecho junto con el resto de propiedades que sustituya muchos materiales más tradicionales como el metal, la madera y la cerámica.

Por su plasticidad es muy fácil y rápido fabricar objetos con plásticos de manera que no sólo el material es barato sino que los productos finales también lo son.

Tiene facilidad para combinarse con otros materiales lo que permite fabricar materiales compuestos con mejores propiedades como el kevlar o la fibra de carbono.

También presentan algunos inconvenientes, no soportan altas temperaturas y si se queman son muy contaminantes.

Tipo de plásticos

Termoplásticos

No soportan altas temperaturas, cuando se calientan se ablandan y se pueden deformar. Se pueden reciclar y reutilizar, aunque al repetir este proceso muchas veces pierden sus propiedades originales. Pueden soportar hasta 150 ºC. Una excepción es el teflón, que soporta temperaturas más altas.

Sus polímeros son lineales y ramificados. Al calentarse estos polímeros pueden deslizarse entre sí adquiriendo nuevas posiciones de modo que al solidificarse el conjunto puede tomar una nueva forma.

Termoestables

Soportan temperaturas más altas, pero cuando es demasiado alta se queman y no se pueden reciclar. Se fabrican calentando a altas temperaturas mientras se les da forma sometiéndolos a presión, a este proceso se le llama curado.
Algunos pueden aguantar hasta 400 ºC. Tienen mayor resistencia a los impactos y son más impermeables a los gases que los termoplásticos.

Los polímeros forman una red que en destruir ya no puede volver a recomponer.

Elastómeros

Cuando se estiran pueden recuperar su forma original aunque se les haya deformado hasta aumentar su longitud 6 veces la que tenían al principio. Por su comportamiento frente a la temperatura la mayoría son termoestables, pero algunos son termoplásticos y se pueden moldear a altas temperaturas.

Plásticos termoplásticos

Plásticos termoplásticos.

Policarbonato (PC).

Es transparente, tiene gran resistencia al impacto y una gran resistencia mecánica (200 veces más que el vidrio). Tiene además excelentes propiedades térmicas, químicas y eléctricas. Se usa en CDs, lentes, visores para cascos protectores, ventanillas de avión, escudos de policía ...

Cloruro de polivinilo (PVC).

Tiene gran resistencia mecánica, rigidez y dureza, es muy resistente químicamente y se puede mezclar muy bien con aditivos que mejoran sus propiedades. No flota en el agua. Se emplea en tubos, tuberías, conductos eléctricos, maletas, zapatos, cortinas de baño, mangueras, jeringas, discos de música.

Polietileno (PE).

Es resistente a la corrosión, flota en el agua, al quemarse no contamina, su color es entre transparente y blanquecino, se puede pintar con facilidad. Hay dos tipos.

Polietileno de alta densidad (HDPE). Tiene una gran resistencia mecánica, se emplea para cajas, juguetes, tuberías, botellas.

Polietileno de baja densidad (LDPE). Tiene menos resistencia que el anterior, se emplea para bolsas, sacos de dormir, invernaderos.

Polipropileno (PP).

Es muy barato y tiene una resistencia aceptable, es más duro y menos flexible que el polietileno es resistente a la humedad y el calor. Flota en el agua. Se emplea en maletas, tapas de inodoros, tarrinas de margarina, césped artificial, botellas, tubos y tuberías, bolsas, sacos, jeringas y precintado de cajas.

Polietileno tereftalato (PET).

Transparente e impermeable a componentes gaseosos. Más denso que el agua. Botellas de agua y de bebidas carbónicas, cinta de grabación, fibras textiles.

Poliestireno (PS).

Es transparente inodoro e insípido, resiste los agentes externos pero es algo frágil. Se comercializa en dos formas:

Poliestireno duro se utiliza para rollos de película, casetes y cintas de vídeo, botones de aparatos, tableros de automóviles, carcasas de electrodomésticos, envases de yogures.

Poliestireno expandido o corcho blanco, se usa en aislamientos, transporte de electrodomésticos, bandejas de alimentos frescos.

Polimetacrilato (PMMA).

Es transparente y se puede pintar con facilidad. Se utiliza en pilotos de automóviles, accesorios de baño, gafas protectoras, cristales de aviones y barcos.

Acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS).

Es muy duro y resiste altas temperaturas. Se emplea en carcasas de televisores, ordenadores, juguetes de construcción y para utilizar en impresoras 3D.

Politetrafluoro etileno (PTFE).

También conocido como teflón. Contiene flúor que le da propiedades de antiadherencia, resiste las altas temperaturas y agente químicos agresivos. Es muy buen aislante eléctrico. Se usa como antiadherente en sartenes y cacerolas, juntas, cojinetes y componentes eléctricos.

Plásticos termoestables

Fenoles (PF)

Tienen buenas propiedades eléctricas, térmicas y mecánicas y elevada resistencia a la corrosión química. No es apto para recipientes alimentarios. Normalmente se le añaden cargas para mejorar su resistencia. Se utilizan como aislantes, dispositivos eléctricos, carcasa de motores, botones, colas, adhesivos, manillas, pomos y mangos de utensilios de cocina, laminados de tableros.

Urea formaldehído (UF)

No tienen olor y son insensibles a la luz. Pueden colorearse con facilidad. Se utilizan en piezas que deben estar en el exterior, platos, vasos, interruptores eléctricos y como revestimiento de fogones, mesas y sillas.

Aminas (MF)

No hacen olor ni sabor. Al combinar con rellenos de celulosa se obtienen productos baratos con buena rigidez y resistencia al impacto. Se utilizan para recipientes alimentarios, como resina de unión en tableros contrachapados, cascos de embarcaciones y recubrimientos para papel.

Resinas de poliéster (UP)

Se combinan con fibra de vidrio y se obtienen materiales compuestos de gran resistencia. Resisten hasta 200 ° C sin deteriorarse. Se emplea en carrocerías, paneles de coches, esquís, cañas de pescar, aviones, cascos de embarcaciones pequeñas y como placas transparentes para cubiertas y tejados.

Resinas epoxi (EP)

Tienen buena adhesión y buena resistencia química y mecánica, son buenos aislantes eléctricos, son fáciles de trabajar. Se usan en adhesivos de metales, barnices, recubrimientos de conductores eléctricos y circuitos impresos y en revestimientos de latas de alimentos y bidones.

Elastómeros

Caucho (CA)

Son muy flexibles y resistentes. El caucho natural se obtiene de un zumo lechoso llamado látex que segregan ciertos árboles tropicales cuando se hacen pequeños cortes en el tronco, en la actualidad ha sido sustituido en un gran porcentaje por caucho sintético. Se usan para la fabricación de ruedas, cilindros de impresoras e imprentas, tubos flexibles, suelas de zapatos y guantes.

Neopreno (PCP)

Son más resistentes que el caucho pero menos flexibles. Es incombustible. Se usan en correas industriales, recubrimientos de cables y tuberías, en trajes de buceo y ropa de bomberos.

Poliuretanos (UP)

Son duros, resistentes a la abrasión y flexibles. Se clasifican en dos grupos ya que pueden ser termoplásticos y termoestables. Se utilizan en prendas de vestir elásticas de elastano o lycra, cintas transportadoras, adhesivos selladores de alto rendimiento, pinturas, preservativos, mangueras y en forma de espuma para asientos o colchones. Existe además la forma de espuma rígida que se puede aplicar en forma de spray como aislamiento de edificios, estanques y tuberías.

Siliconas (SI)

Tienen como base el silicio y presentan buena estabilidad térmica y frente a la oxidación, son flexibles y tienen excelentes propiedades eléctricas. Se utiliza en prótesis médicas, sellado de juntas, hules y otras aplicaciones resistentes al agua.

El procesado del material plástico (I)

Moldeo por inyección.

Se calienta el plástico en forma de gránulos hasta que se funde. Mediante un tornillo giratorio se introduce en un molde. Cuando se ha solidificado se saca el objeto producido del molde. Se utiliza para fabricar cubos, platos, carcasas de objetos y piezas complejas.

Extrusión.

Mediante un tornillo sin fin se presiona el plástico fundido y se le hace pasar por un filtro con la forma deseada. Al traspasar el agujero se enfría el plástico con un chorro de aire o agua fría y se corta en secciones iguales. Se utiliza para fabricar objetos de gran longitud y sección constante como, por ejemplo, bolígrafos.

Moldeo por soplado.

El molde se abre por la mitad y se introduce un vaso fin de plástico o preforma que se ha calentado previamente. Se insufla aire a presión y la preforma toma la forma del molde, luego se abre el molde y se expulsa la pieza. Se utiliza para fabricar botellas, recipientes y piezas huecas.

Moldeo por compresión.

Una preforma de plástico termoestable se introduce en una prensa con la forma que queremos obtener. Se presionan las dos paredes del molde mientras se aplica calor y el plástico sufre un proceso de curado que permite formar un sólido uniforme, rígido y homogéneo con gran resistencia a las altas temperaturas. Posteriormente unos resortes empujan la pieza y la extraen del molde. Se fabrican piezas grandes pero no muy complicadas como el salpicadero de automóviles.

El procesado del material plástico (II)

Hilado

Se trituran los gránulos de plástico y se convierte en polvo. El polímero en polvo se introduce junto con nitrógeno que crea una atmósfera anaerobia. El polvo pasa a través de una reja caliente y se funde. El polímero fundido pasa a través de unas boquillas con múltiples agujeros para obtener finos hilos. Estos hilos se enfrían con un chorro de aire o agua fría y luego se estiran y se enrollan en bobinas. Con este proceso se fabrican los hilos de las fibras textiles.

Laminado

Para obtener láminas finas se pueden utilizar dos procesos. El laminado por extrusión por soplado o el calandrado.

El laminado por extrusión con soplado se hace pasar el polímero fundido a través de un filtro en forma de anillo con un chorro de aire que sale desde el interior del anillo, obteniendo una película fina en forma de cilindro. Posteriormente el plástico toma forma de láminas ayudado por unos rodillos que hacen de guía y se solidifica. Con este método se fabrican rollos de film transparente y bolsas.

Al calandrado se comprime la masa de plástico entre rodillos calientes que giran en sentido contrario y lo presionan para poco a poco ir obteniendo una lámina fina, aunque no tanto como con el método anterior. Se utiliza por ejemplo para fabricar manteles de plástico.

Espumación

Para fabricar espumas plásticas se introduce aire en el material mediante agitación, insuflación o mediante un producto espumante. A continuación se le da forma con los sistemas de inyección, extrusión o calandrado. El material obtenido es muy ligero. Se utiliza este método para fabricar esponjas o colchones.

Moldeado al vacío

Se coloca sobre un molde una lámina fina de material plástico de forma que apoye bien sobre los bordes. Una vez aplicado el cierre la plancha es calentada por la parte superior con unas luces infrarrojas y por la parte inferior se extrae el aire a través de unos agujeros. El aire presiona desde arriba y la lámina adquiere la forma del molde pegándose a sus paredes. Con esta técnica se fabrican piezas de poco espesor, por ejemplo bandejas de bombones o de huevos.

Teoría y práctica de la impresión 3D

Un método de fabricación que se está extendiendo últimamente es el de la impresión 3D.

En este método una bobina de plástico se hace pasar por un agujero fino o extrusor vez que se calienta. El plástico fundido se deposita por capas sobre una superficie para fabricar el objeto deseado. Para que el cabezal de extrusión llegue a cualquier punto se mueve de abajo arriba y de izquierda a derecha. La base se mueve de delante a atrás.

Pasos a seguir

La fabricación de un objeto requiere en primer lugar de su diseño con un programa de gráficos en 3D. La figura obtenida se transforma en capas mediante otra aplicación. Y Finalmente la impresora deposita una capa sobre otra creando, si es necesario, estructuras temporales para sostener la figura durante la impresión.

Diseño

En nuestro caso utilizaremos la aplicación Tinkercad que no requiere instalación y se ejecuta a través del navegador después de registrarnos. Una vez elaborada la figura le pondremos el nombre que queramos y la exportamos en formato STL. También podemos utilizar cualquier otro programa de diseño gratuito como Blender o Sketch Up .

Conversión en capas

Para pasar la figura 3D en capas utilizamos el programa CURA 3D . En este programa tendremos que tener en cuenta si queremos escoger la opción crear una base o no, si queremos crear una estructura de apoyos temporales para las partes en voladizo y si el objeto lo queremos relleno total o con una estructura densa o poco densa en su interior. El programa nos permite poner varios diseños 3D para imprimir conjuntamente. Por último, el programa nos pide exportar el archivo de capas a una unidad extraíble, preferiblemente una memoria SD.

impresión

La impresora que disponemos en el instituto es un modelo Prusa Mendel i3. Antes de imprimir debemos hacer un poco de laca sobre la superficie para que la figura quede adherida. Una vez introducimos la memoria SD presionamos la rueda junto a la pantalla y seleccionamos el archivo que queremos imprimir. La impresora calentará la superficie donde se ha de imprimir el objeto y el cabezal de extrusión. Cuando la superficie se ha conseguido 60 ºC y el cabezal 200 ºC comenzará a imprimir. El tiempo que se tarda en imprimir la figura depende de su tamaño y puede ser de varias horas.

Nuevos materiales

Los materiales se pueden clasificar en dos grupos, materiales estructurales o funcionales.

Materiales estructurales

Los materiales estructurales son los que se usan por sus propiedades mecánicas y se utilizan en grandes cantidades, por ejemplo tenemos los metales, plásticos, madera y cerámicas.

Materiales funcionales

Los materiales funcionales no son útiles para las sevues propiedades mecánicas sino por las químicas, magnéticas o electrónicas. Algunos ejemplos son:

Materiales fosforescentes. Se iluminan al incidir sobre ellos electrones a gran velocidad. Se utilizan en las pantallas y monitores de tubo.

Aleaciones de neodimio-hierro-boro o de cobalto-samario para la fabricación de los mejores imanes permanentes.

Cristales líquidos para la fabricación de pantallas planas de televisión y ordenador.

Biomateriales que no causan rechazo al ser implantados. Hay poliméricos, metálicos, cerámicos, vítreos.

Nanomateriales

Actualmente se están investigando materiales que presentan estructuras a escala nanoscópica, del orden de la millonésima de milímetro, que reciben el nombre de nanomateriales. Entre ellos tenemos:

Materiales orgánicos, creados por virus modificados y que se usan en sistemas ópticos y electrónicos.

Materiales inteligentes que pueden autorrepararse o recuperar la forma previa a una deformación compleja.

Materiales nanocompuestos fabricados con moléculas orgánicas e inorgánicas para fabricar componentes electrónicos más pequeños y rápidos.

La nanotecnología

El progreso tan impresionante que ha tenido la electrónica ha sido debido a la posibilidad de conseguir dispositivos cada vez más diminutos, lo que permitido fabricar circuitos muy complejos de un tamaño razonable.

Cuando se fabrican objetos de tamaño del orden del nanómetro comienzan a mostrarse los efectos cuánticos y sus propiedades cambian sustancialmente, a veces esto es una ventaja y en otros una desventaja.

El comienzo

Aunque el origen de la nanotecnología puede fijarse en la invención del microscopio de efecto túnel (STM) para Binning y Rohrer en 1981 ya en la antigüedad se daba color a cristales con la inclusión de partículas de tamaño nanométrico que interaccionaban con la luz.

El microscopio de efecto túnel consistía en una punta metálica acabada en uno o pocos átomos y que mediante un sistema de control se mantenía a una altura estable sobre una superficie mientras la recorre en barridos sucesivos. Las variaciones de distancia de la punta en la superficie se detectan observando los cambios en la intensidad de corriente entre la punta y la superficie debido al efecto túnel y que varía exponencialmente con la distancia. Dibujando mediante un ordenador la señal que se ha enviado a la punta para mantener la distancia constante podemos obtener un gráfico de la superficie. Este microscopio permite observar los átomos individuales.

Los microscopios de fuerza atómica desarrollados posteriormente permitían además observar superficies que no eran conductoras, lo que les hacían más versátiles.

Con estos microscopios más se podían desplazar átomos sobre la superficie para escribir textos o fabricar dispositivos.

Métodos de fabricación

En la actualidad los métodos de fabricación se pueden dividir entre los de abajo a arriba y los de arriba a abajo.

Los métodos de abajo hacia arriba pretenden formar estructuras más grandes a partir de bloques más pequeños. Entre estas técnicas tenemos las que utilizan moléculas de ADN para producir otros con una disposición concreta, la técnicas de autoensamblaje que consiguen que varios componentes de molécula única unan en configuraciones prefijadas y los microscopios de fuerza atómica que consiguen depositar sustancias sobre una superficie siguiendo un patrón deseado.

Las técnicas de arriba abajo crean dispositivos pequeños utilizando otros más grandes para dirigir su montaje. Los procesos de fotolitografía empleados en la fabricación de circuitos integrados ya hace tiempo que consiguen tamaños suficientemente pequeños para ser considerados nanotecnología. Con estas técnicas se consiguen también fabricar dispositivos nanoelectromecánicos o nanomáquinas y no sólo electrónicos. Con chorros de iones focalizados consiguen depositar o remover sustancias a escalas nanométricas.