Cómo elegir un filamento para brazos robóticos
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La impresión 3D FDM se ha convertido en uno de los métodos de fabricación más prácticos para proyectos robóticos aficionados y de pequeña escala. Permite prototipado rápido, iteraciones de diseño cortas, bajo coste de producción y la capacidad de fabricar piezas complejas sin utillaje especializado. Un diseño puede modificarse, reimprimirse y probarse en unas pocas horas, lo que permite desarrollar mecanismos robóticos mucho más rápido que con los métodos de fabricación tradicionales. También hace viables los repuestos y las series cortas sin necesidad de equipos costosos ni moldes.
A pesar de estas ventajas, la impresión FDM plantea varios retos de ingeniería. Las piezas impresas suelen ser menos rígidas y menos resistentes que las mecanizadas o moldeadas, sus propiedades mecánicas dependen en gran medida de la orientación de impresión por la anisotropía entre capas, y muchos materiales habituales pierden rigidez o se deforman a temperaturas relativamente moderadas. El rendimiento final depende no solo del material, sino también de los parámetros de impresión, la geometría de la pieza y el postprocesado.
En los brazos robóticos, estas limitaciones afectan directamente al comportamiento real. Las piezas estructurales deben soportar cargas repetidas sin flexionar en exceso, mantener la precisión dimensional, resistir la deformación a largo plazo y seguir funcionando de forma fiable en entornos cálidos. También pueden sufrir cargas súbitas por colisiones, movimientos bruscos, contacto con topes mecánicos, caídas accidentales o manipulación durante el montaje. Un material que se comporta bien con cargas lentas o sostenidas puede agrietarse o fallar ante un impacto.
Este artículo compara varios filamentos reforzados con fibra de carbono habituales en el mercado junto con PLA y PETG estándar como materiales de referencia. El objetivo es evaluar su idoneidad práctica para componentes estructurales robóticos en condiciones de impresión realistas. En lugar de basarse únicamente en las fichas técnicas de los fabricantes, la comparación parte de medidas repetibles de rigidez a flexión, resistencia térmica, deformación a largo plazo y comportamiento al impacto.
Filamentos reforzados con fibra de carbono
Los filamentos reforzados con fibra de carbono (CF) son materiales compuestos en los que se mezclan fibras de carbono cortas con un termoplástico convencional como PLA, PETG o PET. Las fibras actúan como carga de refuerzo que modifica el comportamiento mecánico de la pieza impresa conservando la facilidad de la impresión FDM.
En comparación con sus equivalentes sin refuerzo, los filamentos CF suelen producir piezas más rígidas, con mejor estabilidad dimensional y menor dilatación térmica. También presentan un acabado mate característico que ayuda a disimular las líneas de capa y da a los componentes un aspecto más profesional. La mejora real depende del polímero base y de la cantidad de fibra de carbono, por lo que PET-CF, PETG-CF y PLA-CF deben considerarse familias de materiales distintas y no variantes del mismo material.
En este estudio comparamos filamentos reforzados con fibra de carbono frente a PLA y PETG estándar de referencia para evaluar qué mejora práctica aportan en componentes estructurales de brazos robóticos.
Recocido
El recocido es un tratamiento térmico controlado que se realiza por debajo de la temperatura de fusión del polímero. Según el material, este proceso puede aliviar tensiones internas y aumentar la cristalinidad, lo que mejora la rigidez, la resistencia térmica y la estabilidad dimensional bajo carga. Muchos fabricantes de filamentos reforzados con fibra de carbono recomiendan el recocido en aplicaciones de ingeniería para alcanzar sus mejores prestaciones mecánicas.
El efecto del recocido depende mucho del polímero base. PET-CF, PETG-CF y PLA-CF pueden responder de forma distinta, y la mejora puede ir de insignificante a notable según la formulación del material y las condiciones de proceso. El recocido también puede introducir cambios dimensionales como contracción o alabeo, poco deseables en conjuntos mecánicos de precisión.
Para evaluar sus ventajas prácticas, cada filamento reforzado con fibra de carbono de este estudio se ensayó tanto recién impreso como después del recocido siguiendo el procedimiento recomendado por el fabricante. Así se pueden valorar los efectos del recocido junto con el tiempo de proceso adicional y los posibles cambios dimensionales.
Resumen del programa de ensayos
Ninguna propiedad aislada determina si un filamento es adecuado para componentes estructurales robóticos. Un material puede ser muy rígido y deformarse a temperaturas elevadas, o resistir bien el calor mientras se dobla poco a poco bajo una carga sostenida. Por eso los materiales se evaluaron con cuatro ensayos complementarios, cada uno centrado en un aspecto distinto del funcionamiento práctico de un brazo robótico.
- Ensayo de flexión en tres puntos — mide la rigidez a flexión registrando la deflexión de la probeta bajo cuatro niveles de carga controlados. Los datos obtenidos permiten calcular el módulo de flexión y comparar la rigidez de distintos materiales con independencia de las pequeñas variaciones dimensionales entre probetas.
- Ensayo de resistencia térmica — evalúa hasta qué punto una probeta cargada conserva su forma a 65–70 °C. Se eligió este rango porque los servomotores del interior de las articulaciones robóticas alcanzan temperaturas similares en funcionamiento continuo. Si las piezas estructurales se reblandecen o deforman por el calor de los motores, la precisión de posicionamiento y la fiabilidad mecánica se degradan incluso sin cargas externas excesivas.
- Ensayo de deformación a largo plazo — evalúa la resistencia del material a la fluencia bajo carga sostenida. En robótica, los componentes estructurales soportan a menudo las mismas fuerzas durante periodos prolongados mientras sujetan el peso del brazo o de la carga útil.
- Ensayos de impacto por péndulo — comparan la capacidad de las probetas para absorber energía ante una carga súbita en las configuraciones Izod y Charpy. Ambas aplican condiciones de apoyo y carga distintas y, por tanto, revelan aspectos diferentes del comportamiento a fractura.
Limitaciones del estudio
El objetivo de este estudio es comparar el comportamiento de distintos filamentos en condiciones de impresión y ensayo controladas y repetibles. Para minimizar la influencia de la geometría, todas las probetas se imprimieron macizas (100% de relleno) con ajustes idénticos. Este enfoque hace que los resultados sean directamente comparables entre materiales, pero no representa del todo la construcción de las piezas reales de un brazo robótico.
En la práctica, la mayoría de las piezas estructurales FDM se imprimen con 30–40% de relleno, varios perímetros y geometrías optimizadas para fabricación aditiva. Elementos como nervios, cartelas, secciones en caja y mayor espesor de pared mejoran notablemente la rigidez y la resistencia manteniendo bajo el peso y el tiempo de impresión. Por tanto, la deflexión absoluta medida en este estudio no debe interpretarse como el comportamiento esperado de una pieza terminada.
Los ensayos de impacto se realizaron con un pequeño banco de péndulo no certificado, pensado para la evaluación comparativa de materiales y no para medir la resistencia al impacto de forma normalizada. Los resultados se expresan como índice relativo de energía absorbida y no deben interpretarse como resistencia al impacto en julios o kilojulios por metro cuadrado, ni compararse directamente con fichas técnicas de fabricantes o valores normalizados Izod y Charpy.
Materiales ensayados
Polymaker Fiberon PET-CF17 se seleccionó como uno de los principales candidatos para piezas estructurales de brazos robóticos. El PET-CF es un filamento con base de PET reforzado con fibra de carbono, pensado para combinar la estabilidad dimensional y la durabilidad del PET con la mayor rigidez que aporta el refuerzo de fibra. Para este proyecto resulta interesante porque puede ofrecer un buen equilibrio entre rigidez, imprimibilidad y resistencia práctica sin recurrir a polímeros técnicos de alta temperatura más exigentes.
Bambu Lab PETG-CF es un filamento de PETG reforzado con fibra de carbono. Según Bambu Lab, este material está diseñado para mejorar tanto las prestaciones mecánicas como el aspecto superficial frente al PETG estándar, manteniendo ventajas propias del PETG como la resistencia al agua, aceites, grasas, radiación UV e impactos. También es relevante para nuestro proyecto porque se posiciona como un material apto para piezas funcionales en impresoras de consumo, con un acabado más limpio y menor flexión que el PETG normal.
CC3D PETG-CF se incluyó como otra opción de composite de fibra de carbono con base de PETG. Ofrece una comparación útil frente al Bambu Lab PETG-CF, ya que ambos parten de un concepto PETG-CF similar pero proceden de fabricantes distintos. Así puede comprobarse si el comportamiento observado se debe principalmente al tipo de material o si la formulación de cada fabricante influye de forma apreciable en rigidez, acabado superficial y calidad de impresión.
Creality Hyper PLA-CF se incluyó como material reforzado con fibra de carbono con base de PLA. El PLA suele imprimirse con facilidad y ofrece buena rigidez, mientras que el refuerzo de fibra de carbono puede aumentarla aún más y reducir la textura visible de las capas. Creality describe su Hyper PLA-CF con alta resistencia, buena adhesión entre capas, acabado mate, textura de capa mínima y velocidades de impresión de hasta 300 mm/s. Para piezas de brazo robótico resulta interesante porque puede aportar alta rigidez y buena calidad superficial siendo relativamente fácil de imprimir.
Creality PETG se ensayó como PETG de referencia sin refuerzo. El PETG se usa habitualmente en piezas funcionales impresas en 3D porque es más tenaz y menos frágil que el PLA estándar, y sigue siendo imprimible en impresoras FDM de escritorio típicas. En este estudio sirve de referencia para evaluar cuánto mejora el refuerzo de fibra de carbono la rigidez y el comportamiento a flexión frente al PETG normal.
Soleyin Ultra PLA se ensayó como PLA estándar de referencia. El PLA está muy extendido, es fácil de imprimir, dimensionalmente estable y suele dar piezas de aspecto limpio. Sin embargo, puede ser más frágil que los materiales basados en PETG y resultar menos adecuado para piezas expuestas a temperaturas altas o a cargas de impacto. En esta comparación aporta una referencia útil para entender cómo se comporta el PLA estándar frente a las opciones reforzadas con fibra de carbono.
Banco de ensayos y metodología
Ensayo de flexión en tres puntos
El objetivo de este ensayo es medir la deformación elástica del material bajo cargas controladas. En componentes estructurales robóticos la rigidez es una característica importante porque una deflexión excesiva reduce la precisión de posicionamiento y la repetibilidad incluso con cargas muy por debajo del límite de rotura.
Para la comparación experimental utilizamos el diseño de banco de flexión en tres puntos publicado por Stefan Hermann (CNC Kitchen), con pequeñas modificaciones para adaptarlo al diámetro de pasador disponible en nuestro montaje. Las dimensiones de las probetas se mantuvieron idénticas al diseño original para conservar una geometría de ensayo coherente y comparable.
El banco consta de dos pasadores de apoyo inferiores y un pasador de carga superior. Durante el ensayo la probeta se apoya en ambos extremos mientras se aplica una carga vertical en el centro del vano. La deflexión resultante en el centro se mide con un comparador digital en niveles de carga predefinidos. Con esas medidas se calcula el módulo de flexión de cada probeta y se compara la rigidez de los materiales en condiciones idénticas.
Medición del módulo de flexión
El valor principal que se compara en este ensayo es el módulo de flexión, que describe la rigidez de la probeta a flexión dentro de la región elástica.
En términos prácticos, el módulo de flexión indica cuánto resiste la flexión una probeta impresa bajo una carga conocida. Un material con módulo más alto flexionará menos con la misma fuerza, mientras que uno con módulo más bajo se doblará más.
Para nuestra aplicación de brazo robótico esto es especialmente importante, porque queremos minimizar la deflexión estructural cuando el brazo está totalmente extendido y sujeta una carga estándar.
Durante el ensayo de flexión en tres puntos medimos cuatro puntos de carga de referencia para cada probeta:
(F₁, δ₁), (F₂, δ₂), (F₃, δ₃), (F₄, δ₄)
donde F es la fuerza aplicada y δ es la deflexión central medida.
A partir de estos puntos calculamos la pendiente de la curva fuerza-deflexión:
k = ΔF / Δδ
donde k es la rigidez a flexión de la probeta. Puede estimarse con el primer y el último punto medidos:
k = (F₄ − F₁) / (δ₄ − δ₁)
o ajustando una recta a los cuatro puntos medidos.
Para una probeta rectangular en un ensayo de flexión en tres puntos, el módulo de flexión se calcula como:
E = (kL³) / (4bh³)
donde L es la distancia entre los pasadores de apoyo inferiores, b es el ancho de la probeta y h es su espesor en la dirección de flexión.
Condiciones reales de ensayo
Las probetas se ensayaron en un montaje de flexión en tres puntos con condiciones de impresión y medición idénticas para todos los materiales. Se prepararon al menos dos probetas por cada condición de ensayo. En los filamentos reforzados con fibra de carbono se evaluaron tanto el estado normal (recién impreso) como el recocido, con al menos dos probetas cada uno, mientras que los materiales de referencia PLA y PETG se ensayaron solo en estado recién impreso. Cada probeta se imprimió maciza con 4 perímetros, altura de capa de 0,2 mm y boquilla de 0,4 mm. Las dimensiones nominales fueron 120 × 12 × 4 mm; las dimensiones reales de cada probeta se midieron individualmente y se usaron en el cálculo del módulo. La distancia entre los dos pasadores de apoyo inferiores fue de 102,5 mm.
| Parámetro | Valor |
|---|---|
| Tiempo de secado del filamento | 6 h |
| Perímetros | 4 |
| Relleno | 100% |
| Diámetro de boquilla | 0,4 mm |
| Altura de capa | 0,2 mm |
| Tamaño nominal de probeta | 120 × 12 × 4 mm |
| Vano entre apoyos L | 102,5 mm |
| Masa de referencia por escalón | 0,350 kg |
| Fuerza por escalón de carga | 3,43 N |
Tabla 1. Condiciones de impresión y medición del ensayo de flexión en tres puntos.
La carga se aplicó en cuatro escalones con pesos de referencia repetibles. La masa de referencia fue de aproximadamente 0,35 kg, equivalente a 3,43 N por escalón con la gravedad estándar; los cuatro niveles de fuerza fueron aproximadamente 3,43 N, 6,86 N, 10,30 N y 13,73 N. La deflexión central se midió con un comparador digital en cada escalón. Las probetas normales se ensayaron justo después de imprimirse; Fiberon PET-CF17, Bambu Lab PETG-CF, Creality PLA-CF y CC3D PETG-CF se ensayaron además como probetas recocidas por separado.
| Filamento | Temp. de impresión (°C) | Temp. de recocido (°C) | Tiempo de recocido |
|---|---|---|---|
| Fiberon PET-CF17 | 300 | 110 | 6 h |
| Bambu Lab PETG-CF | 255 | 65–70 | 6 h |
| Creality PLA-CF | 220 | 60 | 6 h |
| CC3D PETG-CF | 255 | 65–70 | 6 h |
Tabla 2. Ciclos de recocido empleados en las probetas reforzadas con fibra de carbono.
Condiciones de ensayo adicionales
El ensayo de resistencia térmica utilizó la misma geometría de probeta que el de flexión en tres puntos. Cada probeta se apoyó sobre un vano de 100 mm y se cargó con una masa colgante de 110 g (aproximadamente 1,08 N) en el centro. Las probetas se introdujeron en una estufa de laboratorio a 65–70 °C durante 1 hora, tras lo cual se midió la deflexión permanente y se comparó con el estado inicial.
El ensayo de deformación a largo plazo se realizó con la misma disposición de apoyo en tres puntos y una carga central de 1 kg (aproximadamente 9,81 N). La deflexión inicial se midió inmediatamente después de aplicar la carga, seguida de una segunda medición a los 30 minutos para cuantificar la deformación dependiente del tiempo (fluencia). Después se retiró la carga y se dejó recuperar la probeta durante 2 minutos antes de registrar la deflexión residual final. Este procedimiento permite distinguir entre deformación elástica, fluencia bajo carga sostenida y deformación permanente tras la descarga.
Ensayo de impacto por péndulo
El objetivo del ensayo de impacto era comparar cuánta energía pueden absorber las probetas de los distintos filamentos ante una carga súbita. Complementa al ensayo de flexión, que evalúa la deformación bajo una fuerza aplicada de forma gradual. Un material puede ser muy rígido en funcionamiento normal y aun así fracturarse bruscamente al recibir un golpe, mientras que un material más dúctil puede doblarse más y absorber más energía antes de fallar. Por eso el ensayo de impacto es útil para componentes robóticos que pueden sufrir colisiones, contacto con topes mecánicos, caídas accidentales u otras cargas de corta duración.
El banco se construyó a partir del proyecto de código abierto Izod Impact Test publicado en Printables como diseño de referencia. Emplea un péndulo liberado desde una posición inicial repetible y una escala mecánica que indica hasta dónde continúa el péndulo tras golpear la probeta. Cuanto mayor es la reducción del recorrido restante del péndulo, más energía absorbió la probeta durante la deformación y la fractura. El mismo banco se configuró para realizar ensayos tipo Izod y tipo Charpy, lo que permite comparar los materiales bajo dos disposiciones distintas de apoyo y carga.
Ensayo de impacto por péndulo en funcionamiento.
En la configuración Izod la probeta se colocó verticalmente y se sujetó por un extremo, dejando libre la parte superior. El péndulo golpeó la zona expuesta de la probeta, produciendo una flexión dinámica en voladizo. Esta configuración concentra las tensiones cerca de la zona de amarre y ofrece una comparación útil de la resistencia a cargas localizadas súbitas. La posición de la probeta, la profundidad de amarre, la posición de liberación del péndulo y la dirección del impacto respecto a las capas impresas se mantuvieron constantes entre ensayos.
En la configuración Charpy la probeta se colocó horizontalmente sobre dos apoyos y el péndulo la golpeó entre ellos. Esto produce una carga de flexión dinámica de disposición general similar a la del ensayo de flexión en tres puntos, pero aplicada a velocidad de impacto. La probeta puede deformarse a lo largo del vano apoyado antes de romperse, por lo que el resultado refleja tanto la resistencia a la fractura como la capacidad del material de absorber energía por flexión. Los resultados Izod y Charpy se evaluaron por separado porque ambas configuraciones generan distribuciones de tensiones distintas y no deben tratarse como medidas intercambiables.
La escala del péndulo se utilizó como medida relativa y no como lectura calibrada de energía. El índice relativo de energía absorbida se calculó como 100 menos la lectura del péndulo tras el impacto, de modo que un valor más alto indica mayor absorción de energía dentro de este montaje. Por tanto, los resultados deben interpretarse como comparaciones entre probetas ensayadas en el mismo banco y en las mismas condiciones, y no como valores normalizados de resistencia al impacto en julios o kilojulios por metro cuadrado.
En las probetas de impacto se mantuvieron los mismos tipos de filamento y condiciones de impresión que en el resto de experimentos. El PLA y el PETG estándar se ensayaron en estado recién impreso, mientras que cada filamento reforzado con fibra de carbono se ensayó tanto recién impreso como tras el recocido. Las probetas recocidas se prepararon con las temperaturas y duraciones específicas de cada material indicadas antes en la tabla 2.
Resultados de rigidez a flexión en tres puntos
Entre las probetas recién impresas, Creality PLA-CF y Fiberon PET-CF17 mostraron la mayor rigidez, con módulos de flexión calculados de 2898 MPa y 2891 MPa respectivamente. Ambos materiales presentaron la menor deflexión bajo carga, siendo los mejores en estado recién impreso. CC3D PETG-CF quedó tercero con 2319 MPa, superando tanto al PETG estándar como al PLA estándar.
Los materiales de referencia demuestran que el refuerzo con fibra de carbono no garantiza por sí solo una mejora. Creality PETG (2029 MPa) y Soleyin PLA (1862 MPa) resultaron claramente más rígidos que Bambu Lab PETG-CF (1595 MPa), pese a no contener fibra de carbono. Esto pone de manifiesto la importancia del polímero base y de la formulación global, más allá del contenido de fibra.
| # | Filamento | Módulo de flexión E (MPa) | Deflexión máx. (mm) |
|---|---|---|---|
| 1 | Creality PLA-CF normal | 2898.32 | 1.58 |
| 2 | Fiberon PET-CF17 normal | 2891.47 | 1.50 |
| 3 | Soleyin PLA | 1862.16 | 2.40 |
| 4 | Bambu Lab PETG-CF normal | 1594.96 | 2.80 |
| 5 | Creality PETG | 2029.01 | 2.40 |
| 6 | CC3D PETG-CF normal | 2319.00 | 2.00 |
| 7 | Fiberon PET-CF17 recocido | 3480.37 | 1.20 |
| 8 | Bambu Lab PETG-CF recocido | 1831.19 | 2.50 |
| 9 | Creality PLA-CF recocido | 2948.27 | 1.50 |
| 10 | CC3D PETG-CF recocido | 2495.82 | 1.90 |
Tabla 3. Rigidez a flexión en tres puntos y deflexión máxima.
Las curvas fuerza-deflexión muestran visualmente las mismas tendencias. Fiberon PET-CF17 (recocido) presentó de forma sistemática la menor deflexión en todo el rango de carga, seguido de Creality PLA-CF. Bambu Lab PETG-CF siguió siendo el material más flexible antes y después del recocido, mientras que los demás ocuparon posiciones intermedias.
Efecto del recocido en la rigidez a flexión
El recocido aumentó la rigidez a flexión de todos los filamentos reforzados con fibra de carbono ensayados, aunque la magnitud de la mejora dependió mucho del material. Como muestran las gráficas, la respuesta fue desde un cambio apenas medible hasta un aumento sustancial de rigidez.
Fiberon PET-CF17 fue el que más se benefició del recocido: su módulo de flexión pasó de 2891 MPa a 3480 MPa, un 20% más. Así pasó de estar prácticamente empatado con Creality PLA-CF recién impreso a convertirse en el material más rígido de toda la comparación.
Bambu Lab PETG-CF también mejoró de forma significativa, un 15%, de 1595 MPa a 1831 MPa. Aunque siguió siendo el menos rígido de los composites de fibra de carbono ensayados, la mejora demuestra que el recocido puede aumentar apreciablemente la rigidez de los materiales PETG-CF.
CC3D PETG-CF mostró una respuesta más moderada, con un aumento del módulo del 8% (de 2319 MPa a 2496 MPa).
Creality PLA-CF solo cambió un 2% (de 2898 MPa a 2948 MPa), lo que indica que el procedimiento de recocido recomendado aporta poca rigidez adicional a este material.
Estos resultados muestran que el beneficio del recocido no puede generalizarse a todos los filamentos reforzados con fibra de carbono. Aunque todos los materiales ganaron rigidez, la mejora fue desde insignificante hasta sustancial según el polímero base y la formulación. Cuando el objetivo principal es la máxima rigidez, Fiberon PET-CF17 obtuvo el mayor beneficio práctico del recocido en las condiciones ensayadas.
Resistencia térmica
Los servomotores pueden alcanzar temperaturas de 65–70 °C en funcionamiento continuo, sobre todo con carga sostenida o dentro de articulaciones robóticas cerradas. Por tanto, las piezas estructurales próximas a los motores deben conservar su forma a temperaturas elevadas para no perder precisión de posicionamiento ni provocar interferencias mecánicas. Este ensayo evalúa la capacidad práctica de cada material para mantener su geometría soportando una carga constante a temperaturas representativas del funcionamiento real.
Las probetas se ensayaron a 65–70 °C durante 1 hora con la misma geometría nominal que las de flexión en tres puntos. Cada probeta se apoyó sobre un vano de 100 mm y se cargó con un peso central de 110 g (aproximadamente 1,08 N). La deflexión central medida tras el ensayo se utilizó como indicador de resistencia térmica bajo carga.
| Filamento | Normal (mm) | Recocido (mm) | Mejora |
|---|---|---|---|
| Fiberon PET-CF17 | 3.4 | 0.3 | 11.3× |
| Bambu Lab PETG-CF | 5.9 | 2.5 | 2.4× |
| CC3D PETG-CF | 6.0 | 2.3 | 2.6× |
Tabla 4. Deflexión térmica a 65–70 °C tras 1 hora bajo una carga de 1,08 N.
Creality PLA-CF, Soleyin PLA y el Creality PETG sin carga se deformaron de forma tan acusada en estas condiciones que no fue posible obtener medidas comparables significativas.
Los resultados muestran que el recocido influye mucho más en el comportamiento térmico que en la rigidez a temperatura ambiente. Fiberon PET-CF17 registró la mayor mejora: la deflexión pasó de 3,4 mm a 0,3 mm, es decir, una retención de forma 11 veces mejor. Ambos materiales PETG-CF también se beneficiaron sustancialmente del recocido, reduciendo su deflexión a menos de la mitad, aunque siguieron siendo bastante menos estables que el Fiberon PET-CF17 recocido.
El resto de materiales no logró mantener su forma en las condiciones del ensayo. Esto no significa que no sirvan para ninguna aplicación, pero indica que no deberían elegirse para componentes estructurales situados cerca de servomotores en funcionamiento continuo, salvo que la temperatura de trabajo pueda mantenerse muy por debajo del rango ensayado.
Deformación a largo plazo
Los componentes de un brazo robótico soportan a menudo cargas sostenidas mientras sujetan el peso del brazo o de la carga útil. Aunque un material sea suficientemente rígido, puede deformarse poco a poco con el tiempo y no recuperarse del todo al retirar la carga. Este ensayo evalúa la resistencia del material a la deformación dependiente del tiempo (fluencia) y su capacidad de volver a su forma original tras una carga prolongada.
Cada probeta se cargó con un peso central de 1 kg durante 30 minutos con la misma disposición de apoyo en tres puntos descrita antes. La deflexión inicial se registró inmediatamente después de aplicar la carga, seguida de una segunda medición a los 30 minutos para cuantificar la fluencia. Tras retirar la carga, se dejó recuperar la probeta durante 2 minutos y se midió la deflexión residual restante.
| Filamento | Deflexión inicial (mm) | A los 30 min (mm) | Deflexión residual (mm) |
|---|---|---|---|
| Fiberon PET-CF17 N | 1.08 | 1.18 | 0.10 |
| Fiberon PET-CF17 R | 0.82 | 0.92 | 0.02 |
| Bambu Lab PETG-CF N | 1.88 | 2.12 | 0.20 |
| Bambu Lab PETG-CF R | 1.80 | 2.00 | 0.15 |
| CC3D PETG-CF N | 1.60 | 1.64 | 0.14 |
| CC3D PETG-CF R | 1.57 | 1.63 | 0.20 |
| Creality PLA-CF N | 1.15 | 1.37 | 0.29 |
| Creality PLA-CF R | 1.00 | 1.13 | 0.40 |
| Soleyin PLA N | 1.60 | 2.05 | 0.30 |
| Creality PETG N | 1.70 | 1.83 | 0.10 |
Tabla 5. Deformación a largo plazo bajo carga de 1 kg y deflexión residual tras 2 minutos de recuperación.
De todos los materiales ensayados, Fiberon PET-CF17 mostró la mejor estabilidad dimensional a largo plazo. El recocido redujo su deflexión inicial de 1,08 mm a 0,82 mm, mientras que la fluencia durante los 30 minutos de carga se mantuvo baja (0,10 mm) en ambos estados. Más importante aún: la deflexión residual bajó de 0,10 mm a solo 0,02 mm, lo que indica una recuperación casi completa tras la descarga.
Bambu Lab PETG-CF también se benefició del recocido, reduciendo su deflexión residual de 0,20 mm a 0,15 mm. En cambio, CC3D PETG-CF apenas mejoró en este ensayo: su deflexión residual incluso aumentó ligeramente, de 0,14 mm a 0,20 mm tras el recocido. Creality PLA-CF presentó la mayor deformación residual entre los composites de fibra de carbono, pasando de 0,29 mm a 0,40 mm tras el recocido.
Estos resultados subrayan una diferencia importante entre rigidez y estabilidad dimensional a largo plazo. Aunque el recocido aumentó el módulo de flexión de todos los filamentos con fibra de carbono ensayados, no mejoró de forma universal la recuperación tras una carga sostenida. Para componentes de brazo robótico que deban soportar cargas durante periodos prolongados, Fiberon PET-CF17 fue el único material que mostró una mejora clara en rigidez, resistencia térmica y estabilidad dimensional a largo plazo.
Resultados de los ensayos de impacto
Los ensayos de impacto por péndulo se utilizaron para comparar cómo responden los materiales a una carga súbita en dos configuraciones distintas. En la configuración Izod cada probeta se cargó como un voladizo sujeto verticalmente, mientras que en la configuración Charpy se apoyó horizontalmente por ambos extremos y se golpeó entre los apoyos. Como ambas configuraciones crean distribuciones de tensiones distintas y permiten grados de deformación diferentes, sus resultados se presentan por separado.
Los valores registrados se expresan como índice relativo de energía absorbida calculado a partir de la escala del péndulo. Un valor más alto indica que se extrajo más energía del péndulo durante el impacto. Estos valores solo sirven para comparar probetas ensayadas en el mismo banco y no deben interpretarse como valores normalizados de resistencia al impacto.
| Filamento | Estado | Izod | Charpy |
|---|---|---|---|
| Creality PLA-CF | normal | 20 | 12 |
| Fiberon PET-CF17 | normal | 15 | 5 |
| Soleyin PLA | normal | 17 | 15 |
| Bambu Lab PETG-CF | normal | 29 | 65 |
| Creality PETG | normal | 24 | 60 |
| CC3D PETG-CF | normal | 20 | 8 |
| Fiberon PET-CF17 | recocido | 8 | 10 |
| Bambu Lab PETG-CF | recocido | 25 | 22 |
| Creality PLA-CF | recocido | 18 | 12 |
| CC3D PETG-CF | recocido | 21 | 13 |
Tabla 6. Índice relativo de energía absorbida en los ensayos Izod y Charpy. Valores más altos indican mayor absorción de energía.
El resultado más claro fue la absorción de energía Charpy notablemente mayor de Bambu Lab PETG-CF y del Creality PETG estándar en estado normal, con índices relativos de energía absorbida de 65 y 60. Todas las demás probetas normales se quedaron en 15 o menos en la misma configuración. Los resultados Izod estuvieron más agrupados, con Bambu Lab PETG-CF de nuevo en cabeza, seguido del PETG estándar.
El recocido produjo varios cambios sustanciales, sobre todo la reducción del resultado Charpy de Bambu Lab PETG-CF de 65 a 22 y la reducción del resultado Izod de Fiberon PET-CF17 de 15 a 8. En cambio, las diferencias pequeñas de alrededor del 5% entre probetas normales y recocidas entran dentro de las limitaciones prácticas de este montaje y no deben interpretarse como una mejora o un deterioro confirmados.
Discusión de los resultados
Rigidez frente a resistencia al impacto
Los resultados demuestran que la rigidez y la resistencia al impacto son propiedades distintas del material y no deben tratarse como intercambiables. El ensayo de flexión en tres puntos mide con qué intensidad resiste una probeta la deformación elástica bajo carga aplicada gradualmente, mientras que el ensayo de péndulo evalúa cuánta energía absorbe ante un impacto súbito. Por tanto, un material puede ser muy rígido en funcionamiento normal y aun así fallar bruscamente al recibir un golpe.
Esta distinción se aprecia con especial claridad al comparar Fiberon PET-CF17 con los materiales basados en PETG. Fiberon fue una de las probetas más rígidas y se convirtió en la más rígida tras el recocido, pero sus resultados de impacto fueron relativamente bajos. En cambio, Bambu Lab PETG-CF fue el material CF menos rígido en el ensayo de flexión, pero registró los índices de impacto más altos entre las probetas normales. El Creality PETG estándar siguió el mismo patrón general, combinando rigidez moderada con una absorción de energía Charpy muy alta.
Estos resultados muestran que la elección del material debe depender de las condiciones de carga previstas para el componente. Los eslabones rígidos, los soportes de servos y las estructuras que deben conservar la precisión de posicionamiento se benefician sobre todo de una alta rigidez y una fluencia baja. Las cubiertas, protecciones, elementos de pinza y piezas expuestas a colisiones pueden beneficiarse más de un material dúctil basado en PETG capaz de absorber energía de impacto. Cuando ambas propiedades importan, la geometría de la pieza, el espesor de pared, los refuerzos locales y los elementos de protección sustituibles suelen ser más eficaces que elegir el material por un solo resultado de ensayo.
Filamentos con fibra de carbono frente a estándar
Los resultados confirman que el refuerzo con fibra de carbono puede mejorar notablemente el comportamiento de los componentes estructurales impresos, pero la mejora no está garantizada por el simple hecho de añadir fibra. El polímero base y la formulación global parecen influir más que la mera presencia de fibras de carbono.
Entre las probetas recién impresas, Fiberon PET-CF17 y Creality PLA-CF fueron bastante más rígidos que los materiales de referencia PLA y PETG. CC3D PETG-CF también superó al PETG estándar en el ensayo de flexión en tres puntos. Sin embargo, Bambu Lab PETG-CF resultó menos rígido que ambas referencias, lo que demuestra que un filamento reforzado con fibra de carbono no es automáticamente más rígido que un polímero sin carga.
Los resultados de impacto revelan otra diferencia importante. El Creality PETG estándar logró uno de los índices Charpy de energía absorbida más altos del estudio, solo ligeramente por debajo de Bambu Lab PETG-CF y muy por encima de los demás composites CF. Esto indica que el refuerzo con fibra de carbono no mejora necesariamente la resistencia al impacto y puede reducir la capacidad del material de deformarse y absorber energía antes de la fractura. El efecto varía mucho según la formulación: Bambu Lab PETG-CF mostró la mayor absorción de energía de impacto entre las probetas normales, mientras que CC3D PETG-CF y Fiberon PET-CF17 dieron resultados Charpy mucho más bajos.
El refuerzo con fibra de carbono también produjo un acabado superficial claramente mejor. Todos los materiales CF ensayados presentaron un aspecto mate uniforme con líneas de capa menos visibles, de modo que las piezas impresas requirieron poco o ningún postprocesado estético. En conjunto, los filamentos CF deben considerarse materiales de ingeniería propios, con combinaciones específicas de rigidez, estabilidad térmica, resistencia a la fluencia y comportamiento al impacto, y no simples mejoras de sus equivalentes sin refuerzo.
El recocido en la práctica
El recocido mejoró la rigidez y la resistencia térmica de todos los materiales reforzados con fibra de carbono ensayados, pero la magnitud y la utilidad global del cambio dependieron mucho del filamento. El mayor beneficio se observó en Fiberon PET-CF17, que mejoró su rigidez a flexión, su resistencia térmica y su estabilidad dimensional a largo plazo. Bambu Lab PETG-CF y CC3D PETG-CF también ganaron rigidez y conservaron mejor su forma a temperaturas elevadas, aunque sus mejoras fueron menos completas.
Los ensayos de deformación a largo plazo y de impacto muestran que el recocido no debe verse como una mejora universal. Una mayor rigidez no siempre se tradujo en mejor recuperación tras una carga sostenida, y la resistencia al impacto pudo mejorar o empeorar según el material y la configuración de ensayo. El resultado negativo más significativo se observó en Bambu Lab PETG-CF, cuyo índice de energía absorbida Charpy bajó de 65 a 22 tras el recocido. Fiberon PET-CF17 también mostró una reducción sustancial en su resultado Izod.
Por tanto, el recocido debe elegirse según el requisito dominante de la pieza terminada. Es muy beneficioso cuando la estabilidad térmica, la rigidez y la resistencia a la deformación gradual son los objetivos principales, especialmente en Fiberon PET-CF17. Sin embargo, en piezas destinadas a absorber colisiones o cargas súbitas el recocido puede reducir la ductilidad útil y debe valorarse con cuidado. Su eficacia depende del polímero base, del contenido de fibra, de la formulación del fabricante y del equilibrio de propiedades que exija cada componente robótico.
Conclusiones
Este estudio comparó varios filamentos reforzados con fibra de carbono disponibles comercialmente mediante cuatro ensayos complementarios: rigidez a flexión en tres puntos, resistencia térmica bajo carga, deformación a largo plazo e impacto por péndulo en configuraciones Izod y Charpy. Los resultados muestran que ninguna propiedad aislada basta para identificar el mejor filamento para cualquier componente de brazo robótico. La rigidez, la estabilidad térmica, la resistencia a la fluencia y la tolerancia al impacto deben considerarse por separado.
Para piezas estructurales rígidas situadas cerca de servomotores o sometidas a cargas sostenidas, Fiberon PET-CF17 ofreció el mejor rendimiento global. Combinó una rigidez muy alta con una excelente estabilidad térmica y la menor deformación residual tras una carga prolongada. El recocido aportó un beneficio adicional sustancial, convirtiéndolo en el material más adecuado de este estudio para eslabones, soportes de servos y otros componentes estructurales críticos en precisión. Sus resultados de impacto comparativamente bajos, sin embargo, lo hacen menos indicado cuando el requisito dominante es la resistencia a colisiones.
CC3D PETG-CF es una opción secundaria práctica cuando se valoran una rigidez moderada, mejor resistencia térmica tras el recocido, la imprimibilidad propia del PETG y una buena calidad superficial. No igualó a Fiberon en rigidez, resistencia al calor ni estabilidad dimensional a largo plazo, y su comportamiento al impacto siguió siendo limitado, pero aun así ofrece un compromiso útil para piezas estructurales generales.
Para componentes expuestos a flexión súbita, colisiones o impactos accidentales, Bambu Lab PETG-CF y el Creality PETG estándar mostraron los mejores resultados Charpy en estado normal. Su menor rigidez y peor comportamiento térmico limitan su uso en piezas estructurales de precisión cerca de motores calientes, pero pueden encajar mejor en cubiertas, protecciones, elementos de pinza, parachoques y otras piezas pensadas para absorber energía más que para permanecer muy rígidas.
Creality PLA-CF ofreció una rigidez excelente recién impreso, pero mostró poca resistencia a temperaturas elevadas y solo una absorción de energía de impacto moderada. Por ello encaja mejor en estructuras pasivas o poco cargadas que trabajen muy por debajo del rango de reblandecimiento del PLA, donde la alta rigidez y la facilidad de procesado importan más que el comportamiento térmico o al impacto.
El recocido no debe tratarse como una mejora universal. Aumentó significativamente la rigidez y la estabilidad térmica de varios materiales, especialmente de Fiberon PET-CF17, pero no mejoró de forma sistemática la recuperación a largo plazo y pudo reducir la absorción de energía de impacto. El tratamiento térmico debe elegirse según el requisito dominante de la pieza final, y no aplicarse de forma automática.
En conjunto, el mejor material depende del modo de fallo esperado. Fiberon PET-CF17 es la opción preferente para estructuras rígidas y térmicamente cargadas, CC3D PETG-CF es una alternativa estructural secundaria práctica, y Bambu Lab PETG-CF o el PETG estándar pueden ser preferibles en piezas donde la tolerancia al impacto importe más que la rigidez máxima. La selección del material debe hacerse componente a componente, según la temperatura de trabajo, la carga sostenida, la precisión de posicionamiento requerida y la exposición a impactos súbitos.
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