PLA. Material, interés y consejos de impresión

¿Qué es el PLA y por qué resulta interesante en impresión 3D?

En esta ocasión trataremos un polímero muy utilizado en impresión 3D por tecnología FDM y muy interesante por sus propiedades y posibles aplicaciones.

Dupont

EL PLA (Ácido Poliláctico) debe su aparición al científico de la marca Dupont:  Wallace Carothers. Consiguió en 1932 un polímero de bajo peso molecular. Fue patentado (conocido como proceso de Carothers) bajo la misma firma a mediados de los años cincuenta, tras optimizar el proceso.

El PLA es un polímero biodegradable que podemos encontrar en el mercado de comercialización de plásticos desde 1990. Es uno de los plásticos en mayor estudio y desarrollo por sus múltiples aplicaciones en el mercado.

PLA granulado

Este interesante polímero tiene su origen en el almidón proveniente de vegetales como: maíz, yuca, trigo, remolacha o caña de azúcar, lo que facilita su fuente de extracción alejándola de los procesos de transformación de los hidrocarburos que caracterizan la obtención de otros polímeros.

 Al ser biodegradable, este poliéster termoplástico, se descompone lentamente en moléculas más simples al entrar en contacto con compuestos como el agua u óxidos de carbono. De esa forma se asegura una reinserción natural a lo largo de su ciclo de vida, al contrario que plásticos derivados de hidrocarburos como el ABS.

Proceso de obtención del PLA

La facilidad de acceso a la materia prima para obtención del PLA (almidón) hace que cada región pueda tener su fuente de almidón propia debido a sus cultivos geográficos, en cambio, los polímeros derivados de hidrocarburos han de tener un suministro externo de este tipo de materia prima. Fue incluido en la lista de plásticos de la FDA (Food and Drug Administration) por sus aplicaciones en el campo de la biomedicina y la alimentación.

Distribución de Materias primas ABS vs. Materias primas PLA

Sus propiedades, como material, son igual de interesantes:

1. Tiene una densidad aproximada de 1.27 g/cc, lo que lo convierte en un material más pesado que el ABS.
2. Su dureza Shore (escala que mide la dureza de los plásticos) es de grado 63.5, siendo mayor que la del ABS. Lo que lo convierte en un plástico más duro que el anterior.
3. Es más rígido que el ABS, teniendo un módulo de elasticidad de 3.63 GPa, lo cual dificulta su deformación ante cargas y lo hace un material menos elástico.
4. Menor resistencia ante impactos que el ABS. Tiene propiedades mecánicas similares al PET.
5. Temperatura de transición vítrea: 60-65ºC.

Las principales críticas a este material han sido:

• Al descomponerse sus moléculas generan dióxido de carbono y metano, gases que contribuyen al efecto invernadero. También es cierto que la emisión de estos gases no preocupa ya que su balance es nulo: en su degradación el PLA emite la misma cantidad de dióxido de carbono que el que consume la planta de la que se obtiene.

Ciclo de vida del PLA

• Se usan hidrocarburos para su obtención, como fuentes de energía para el costoso proceso de obtención del PLA. Por lo cual su proceso de obtención desencaja el concepto de material biodegradable si se estudia su ciclo de vida completo.
• Las materias primas para su obtención son productos básicos que sirven también como base en el sector de la alimentación. Al ser un plástico requerido por la industria, preocupa que junto con escasez de cultivos en algunas zonas geográficas, muchos productores de estas materias destinen sus cultivos a empresas de creación de bioplásticos en vez de al sector alimenticio. Esto podría provocar escasez en algunos productos básicos alimenticios.

Impresión del PLA:

A la hora de imprimir PLA, podremos comprobar que es un plástico de mayor facilidad de impresión que otros. Lo podremos imprimir con una temperatura de extrusión de 210ºC. En cuanto a la configuración de la base de impresión tenemos varias opciones con este material:

1- Impresión en Frio

Una de las opciones a la hora de imprimir este material es usar una configuración sin aporte de temperatura en la base de impresión. Esto provoca que la impresora consuma menos potencia eléctrica ya que no tiene que calefactar la superficie sobre la que se soportará la pieza.

Base fria con laca

En esta configuración es necesario un fijador que adhiera la pieza a la base de impresión y, no menos importante, asegurar una calibración minuciosa ya que la fijación de la primera capa a la base de impresión es crucial. Como fijadores en frio, podríamos usar cualquier lacado convencional.

Sin embargo la posibilidad de la impresión en frío, con este material, se desestima cuando se quiere imprimir piezas de impresiones largas, geometrías grandes y velocidades medias-altas. Los factores anteriormente nombrados aumentan mucho la posibilidad de que zonas de la pieza se separen de la base de impresión incluso pudiendo despegarse completamente a lo largo de la impresión.

2- Impresión en Caliente

La opción más utilizada por los usuario de impresión 3D que consumen este tipo de material, es la impresión con base calefactada. Situando la temperatura de la base en una mayor a su temperatura de transición vítrea (Tg, temperatura a la que el polímero amorfo se encuentra en un estado intermedio entre el sólido y el líquido)

2.1- Sin uso de fijador

Otra opción posible es imprimir sobre la base calefactada sin fijador. Para ello situaremos la temperatura de la base de impresión, notablemente más alta que la temperatura de transición vítrea del material.

Base muy caliente sin lacado

Como no usaremos fijador en esta opción, se ha de asegurar que las tensiones cercanas a la base de impresión son mínimas, ya que sin fijador, con tensiones bajas se podría despegar o combar.

A su vez, tampoco se puede establecer una temperatura muy superior a la Tg, ya que se podrían dar distintos fenómenos de fluencia en el material (ya que estaría demasiado blando). También podrían aparecer diversos defectos de impresión en las paredes y en la cara fija a la base.

2.2- Uso de fijador

Para esta alternativa se establece una temperatura de la base de 60-65ºC utilizando un fijador que asegure su adherencia a la base en esas temperaturas.

base muy caliente sin lacado

La adherencia a la base de algunos plásticos de impresión 3D se ve limitada por las deformaciones que sufren estos durante la impresión por tecnología FDM como se explica en el [informe técnico de dimaFix]. Las tensiones internas que sufren los materiales debidas a la función de temperaturas que recorre el sólido (temperatura a la que se encuentra cada punto del sólido) hacen que se deforme hacia el centro de la pieza. Este hecho, provoca defectos en las aristas vivas de otros materiales como el ABS, conocido como fenómeno de delaminación.

También provoca una adherencia limitada a la base de impresión despegándose de los puntos de mayor tensión (aristas), fenómeno conocido como Warping.

Para una correcta impresión de PLA se aconseja el uso de dimafix como producto adherente sobre la base, y una temperatura de la base de 70ºC. De esta forma, podremos imprimir las geometrías más complejas sin temer que la pieza se despegue de la base deformando parcialmente sus esquinas y geometría.

Tabla comparativa