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Como entusiastas de la impresión 3D, siempre nos hemos preguntado: ¿qué es lo próximo en el campo de la impresión 3D? ¿Qué más puede hacer esta tecnología? Una de las fronteras más jóvenes y menos desarrolladas en la impresión 3D es el uso de filamentos conductores, o filamentos que pueden conducir electricidad.
Los filamentos conductores no son muy comunes y probablemente solo los aficionados a la impresión 3D más experimentados (o curiosos) se hayan atrevido a utilizarlos. Si tienes curiosidad, no te preocupes, porque te ayudamos. En este artículo, abordamos todo lo que necesitas saber sobre el extraño mundo de los filamentos conductores: de qué están hechos, sus propiedades, cómo utilizarlos y las mejores marcas disponibles en la actualidad.
¿Qué son los filamentos conductores?
Prácticamente todos los filamentos conductores disponibles en el mercado hoy en día están compuestos por una mezcla de carbono y un plástico estándar para impresión 3D. Los filamentos conductores disponibles comercialmente vienen en diferentes resinas base: desde el PLA y el ABS estándar, hasta los más especializados TPU y HIPS. Estos materiales pueden conducir electricidad ya que el carbono que contienen está grafitizado, es decir, los átomos de carbono están dispuestos en una “red de panal”, lo que le da una estructura cristalina. Cada capa de esta estructura se llama grafito, y las capas se denominan colectivamente grafeno.
Esta estructura no sólo aporta rigidez y resistencia a la impresión final, sino que la naturaleza de los enlaces de los átomos de carbono deja un único electrón libre en cada átomo. Esto significa que el material puede transmitir corrientes a través de estos electrones libres, aunque a una velocidad mucho más lenta en comparación con los materiales verdaderamente conductores, como el cobre y el hierro.
El grafeno es un material increíblemente fino, lo que lo hace apropiado para aplicaciones muy compactas, como los filamentos de impresión 3D. El carbono grafítico también se ha utilizado como componente principal de las tintas conductoras.
Es importante distinguir entre filamentos conductores y filamentos impregnados con materiales ferromagnéticos. Los filamentos ferromagnéticos o impregnados con hierro pueden mostrar atracción por los imanes, pero no pueden conducir electricidad ya que las partículas de hierro están demasiado dispersas dentro de la matriz plástica.
También hay bobinas de fibra de carbono disponibles en el mercado que solo contienen una pequeña cantidad de grafeno o negro de carbono. Estos filamentos de fibra de carbono tienen una resistencia y rigidez únicas debido a su contenido de carbono, pero su componente de carbono es demasiado pequeño para permitir cualquier conductividad.
¿Qué puedo hacer con los filamentos conductores?
La posibilidad de realizar circuitos eléctricos personalizados tiene un gran potencial. En el pasado, las impresiones hechas con materiales plásticos estándar debían incorporarse con un material conductor, como cables de cobre, para tener capacidades eléctricas. Con filamentos conductores, el material conductor se puede incorporar a la impresión simultáneamente con todo el proceso de construcción. El resultado es un producto mucho más uniforme y con menos trabajo.
El campo de la electrónica portátil se cita a menudo como uno de los mayores beneficiarios potenciales de la tecnología de impresión 3D conductiva. Al utilizar filamentos conductivos, los circuitos eléctricos se pueden integrar sin problemas en prácticamente cualquier tejido de ropa. El desarrollo de circuitos eléctricos ligeros, duraderos y flexibles que se puedan adaptar a cualquier forma es, sin duda, un gran paso en la tecnología de impresión 3D.
Los filamentos conductores también se pueden utilizar para fabricar sensores capacitivos. También conocidos como sensores «táctiles», se pueden encontrar en la mayoría de los trackpads de portátiles, teclados digitales y mandos de juegos. Tienen cientos de aplicaciones industriales y de ingeniería, ya que estos sensores también se pueden utilizar para detectar proximidad, aceleración, humedad y niveles de fluidos. Con los filamentos conductores, ahora puedes fabricar tus propios sensores capacitivos con la forma que quieras.
Las impresiones realizadas a partir de filamentos conductores también se pueden utilizar de forma eficaz como blindajes electromagnéticos y de radiofrecuencia. Esto puede resultar especialmente útil en el campo de las telecomunicaciones y en el mantenimiento de equipos de medición sensibles, como los que se encuentran en laboratorios industriales y científicos. Los equipos sensibles y cruciales, como los dispositivos médicos y otros equipos que se encuentran en las instituciones de atención sanitaria, también pueden beneficiarse del uso de blindajes contra señales competidoras que pueden hacerlos defectuosos. Con filamentos conductores, puede fabricar blindajes EMI y RF altamente personalizados para cualquier cantidad de aplicaciones especiales.
¿Cuáles son las limitaciones de los filamentos conductores?
La limitación esencial de los filamentos conductores en el estado en el que se encuentran actualmente es que no son tan conductores como los metales. La conducción a través del grafito se produce mediante un mecanismo de deslocalización de electrones dentro de las capas de grafito. En comparación, la conducción a través de los metales se produce a través de un mar de electrones libres que pueden moverse dentro de una red o una “nube de electrones”. Por este mismo mecanismo, la conducción a través del grafito es más lenta y bastante limitada.
Al igual que otros filamentos de materiales fusionados, los filamentos conductores suelen ser más frágiles que sus homólogos de plástico estándar. Se deberá realizar un manejo especial para garantizar que el filamento no se rompa, lo que incluye proporcionar una ruta suave desde la bobina hasta el extrusor.
Otro problema que puede surgir al utilizar filamentos conductores es el desgaste acelerado de la boquilla del extremo caliente debido a las hebras de fibra de carbono infundidas en el filamento. Además de utilizar una boquilla resistente a la abrasión, el uso de una boquilla ancha (de más de 4 mm de diámetro) suele solucionar este problema.
Los filamentos conductores también son bastante caros, especialmente en comparación con los filamentos ABS o PLA estándar. Esto significa que probablemente querrás usarlos con moderación y que hay poco margen para el ensayo y error.
¿Cómo se utilizan los filamentos conductores?
La variedad de resinas base que se utilizan para fabricar filamentos conductores hace que la temperatura de impresión de cada producto de filamento conductor también varíe. Por ejemplo, el filamento conductor basado en PLA de ProtoPasta tiene una temperatura de impresión recomendada de entre 220 y 230 °C. Por otro lado, el filamento conductor basado en ABS de Vilarox se debe imprimir con una temperatura recomendada de hasta 260 °C. En el caso de los filamentos conductores, lo mejor es seguir las instrucciones del fabricante.
Por lo general, no es necesario utilizar una cama caliente para los filamentos basados en PLA, pero puede ayudar a reducir la deformación de la impresión final. Una temperatura de hasta 50 °C debería ser suficiente si se utiliza una cama caliente.
Cualquier método de adhesión a la base que funcione para la resina base debería ser eficaz para el filamento conductor. Una capa de cinta de pintor azul o pegamento en barra sobre una base de vidrio calentada suele funcionar bastante bien para la mayoría de las aplicaciones.
AMOLEN recomienda una velocidad de impresión de entre 30 mm/s y 70 mm/s para su filamento conductor basado en PLA. La fibra de carbono es muy poco conductora del calor, lo que significa que debería calentarse y enfriarse rápidamente. Esta característica debería permitirle imprimir a velocidades de impresión relativamente altas, pero aun así es mejor consultar con el fabricante.
¿Cuáles son las mejores marcas de filamentos conductores disponibles hoy en día?
Nuevamente nos topamos con otra de las limitaciones de los filamentos conductores. Están tan poco desarrollados y poco utilizados que en realidad solo hay un puñado de fabricantes que los ofrecen. A continuación, se enumeran las mejores y más fiables marcas de filamentos conductores disponibles en la actualidad.
ProtoPasta vende un filamento de carbono conductor basado en PLA, disponible en un tamaño de 1,75 mm y en bobinas de 0,5 kg. Este material tiene una resistividad de solo 15 ohmios-cm, inferior a la de la mayoría de los demás productos de filamentos conductores. La conductividad del filamento conductor de ProtoPasta le permite iluminar LED, operar sensores capacitivos y alimentar circuitos de bajo voltaje. Si desea probar a usar un filamento conductor, ProtoPasta también ofrece una bobina suelta de tamaño pequeño de 0,125 kg para su filamento conductor.
El filamento conductor que vende AMOLEN también está basado en PLA y se vende en bobinas de 1,75 mm y 0,2 kg. Las bobinas pequeñas son ideales para quienes quieran probar el uso de filamento conductor pero no quieran comprar una bobina de tamaño completo. Lamentablemente, AMOLEN no indica la resistividad medida de su producto, por lo que tendrá que improvisar en ese aspecto.
Si buscas algo un poco diferente, puedes comprar el filamento conductor basado en ABS de Vilarox. Si necesitas una impresión un poco más flexible, este es el producto ideal para ti. Este filamento está disponible en un tamaño de 1,75 mm y en bobinas de 1 kg.
El resumen
El mundo de los filamentos conductores es un campo relativamente nuevo e inexplorado, y actualmente no hay muchos productos de filamentos disponibles con esta capacidad. Por ello, las configuraciones de la impresora aún no son estándar y dependen en gran medida de la resina base utilizada en el filamento.
Los filamentos conductores aún no han alcanzado el estado de popularidad que disfrutan otros filamentos especiales como la fibra de carbono y los filamentos metálicos, pero sus capacidades nos hacen ser muy optimistas y entusiasmados por el potencial de la tecnología de impresión 3D.
Advertencia: las impresoras 3D nunca deben dejarse sin supervisión, ya que pueden suponer un riesgo de incendio.