Ya hemos fabricado anteriormente algunos materiales compuestos geniales y tuvieron un gran éxito: preparamos materiales adecuados para uso mecánico, como el Prusament PC Blend Carbon Fiber y el Prusament PA11 Carbon Fiber. Para dar el siguiente paso, hemos decidido fabricar un filamento relleno de metal muy avanzado destinado a usos técnicos más que estéticos: ¡presentamos el Prusament PETG Tungsten 75%! Aunque este material está diseñado principalmente para un grupo muy específico de usuarios, creemos que su desarrollo intrigará a todos en la comunidad de impresión 3D. Este filamento tiene mucho que ofrecer: sus propiedades no reactivas, hipoalergénicas y no tóxicas lo hacen ideal para diversas aplicaciones médicas. Además, su alta densidad es perfecta para crear complejas componentes de protección contra radiaciones de una manera más fácil y rápida en comparación con los métodos convencionales. Hablemos de ello con más detalle.

El Tungsteno, también conocido como wolframio (símbolo químico W, número atómico 74), es uno de los metales más pesados de la tabla periódica. Con su densidad de unos 19 gramos por centímetro cúbico, es comparable a la del oro y es unas 1,7 veces más denso que el plomo (símbolo químico Pb, número atómico 82). Debido a su número atómico, el wolframio puede utilizarse en diversas aplicaciones como material de protección contra rayos X y rayos gamma. Es un elemento prácticamente no reactivo que no reacciona con el agua, el oxígeno o el aire a temperatura ambiente. A diferencia del plomo, el tungsteno es hipoalergénico y no tóxico, lo que lo hace perfectamente adecuado para aplicaciones médicas.

Los materiales con una densidad tan alta suelen ser muy difíciles de mecanizar, pueden ser muy caros, o incluso tóxicos. Las propiedades inherentes a estos materiales hacen que los métodos de fabricación clásicos resulten indeseables. La fabricación aditiva ofrece la posibilidad de crear componentes de protección complejos/individualizados con mayor facilidad y, en ocasiones, a un coste reducido.

Protección contra las radiaciones y propiedades mecánicas

El Prusament PETG Tungsten 75% está relleno de polvo de wolframio (75% en masa), por lo que obviamente no tiene las mismas propiedades de protección que el wolframio puro. Hemos hecho la siguiente tabla para aclarar las propiedades de protección del Prusament PETG Tungsten 75% en comparación con el plomo y el wolframio puros. Para entender la tabla, necesitamos explicar algunos términos básicos utilizados en la industria de la protección contra las radiaciones:

Densidad (g*cm^-3): Al considerar las opciones para la protección contra la radiación, las características más importantes son el número atómico y la densidad del material. El plomo y el tungsteno son los materiales más comunes para proteger contra la radiación de rayos X y gamma, por eso comparamos esos dos metales (puros) con el nuevo Prusament.

Coeficiente de atenuación lineal (µ): Se trata de una constante que describe la fracción de fotones incidentes atenuados en un haz monoenergético por unidad de espesor de un material. Cuanto mayor sea el coeficiente de atenuación lineal, mayor será la capacidad de atenuación de la sustancia, lo que representa un material de protección más adecuado.

Capa de valor medio HVL (mm): En las características de la protección contra las radiaciones, la capa de medio valor (HVL) es un parámetro importante del que hay que hablar. Representa el espesor del material en el que la intensidad de radiación que entra en él se reduce a la mitad. Para la energía de rayos gamma más utilizada en la obtención de imágenes de medicina nuclear (140 keV, ^99mTc) el plomo puro tiene un HVL de 0.256 mm, el tungsteno tiene un HVL de 0.191 mm. En otras palabras: se necesita menos tungsteno que plomo para obtener resultados de apantallamiento similares..

Comparación de las propiedades de protección contra las radiaciones entre Prusament PETG Tungsten 75% y materiales de apantallamiento comunes. El coeficiente de atenuación lineal del plomo puro y pure tungsteno se calcularon utilizando la base de datos physics.nist.gov y los valores en este artículo.

Los resultados mostrados en la tabla (densidad, μ y HVL) son teóricos para el plomo puro y el wolframio puro. La densidad del Prusament PETG Tungsten 75% (4 g*cm^-3) se calculó a partir de la masa y las dimensiones del filamento. Su μ procede de la serie de mediciones de atenuación dirigidas por el Ing. Jaroslav Ptáček, doctor del departamento de Física Médica y Protección Radiológica del Hospital de Olomouc. El valor HVL se calculó entonces fácilmente a partir de los datos experimentales.

El aparato de pruebas para el Prusament PETG Tungsten 75%. El emisor radiactivo no se ve en esta foto.

Método de medición

Todas las mediciones se realizaron con Tecnecio metastable (^99mTc). Durante las mediciones de atenuación, la muestra de Prusament PETG Tungsten 75% de un cierto espesor fue irradiado por una fuente de radioisótopo ^99mTc. La atenuación de una muestra concreta se estableció utilizando la geometría de haz estrecho. En el diagnóstico de medicina nuclear, es el radioisótopo médico más utilizado. Utilizado como trazador radiactivo, emite rayos gamma detectables con una energía de fotones de 140 keV.

Algunas de las muestra de Prusament PETG Tungsten 75% para las pruebas realizadas. 

Los objetos de prueba se imprimieron en 3D con Prusament PETG Tungsten 75%, con los siguientes grosores 0.1; 0.2; 0.3; 0.5; 1; 1.5; 2; y 3 mm. Las mediciones se realizaron perpendicularmente a la superficie de la muestra. Tras realizar las mediciones, calculamos el HVL (véanse los resultados a continuación).

Inserción del Tecnecio metaestable (^99mTc) dentro del aparato de ensayo.

Resultados de las mediciones de atenuación. El eje Y muestra la cantidad de radiación gamma que atraviesa la muestra analizada, el eje X representa el grosor de la muestra. El HVL calculado para Prusament PETG Tungsten 75% es de 1.402 mm (marca naranja). A título comparativo, la HVL del plomo puro es de 0.256 mm y la del wolframio puro, de 0.191 mm.

Unimos el polvo fino de tungsteno con PETG gracias a su buena imprimibilidad, resistencia a la radiación y a los productos químicos (por ejemplo, diversas soluciones de desinfección). Las propiedades mecánicas y de protección contra la radiación se pueden consultar en nuestra hoja de datos técnicos, pero a continuación se indican los parámetros más importantes:

• Propiedades de protección del tungsteno puro: HVL de 0.191 mm (^99mTc, 140 keV)
• Propiedades de protección del Prusament PETG Tungsten 75%: HVL de 1.402 mm (^99mTc, 140 keV)*
• Polímero adhesivo: PETG
• Contenido en wolframio: 75% in mass
• Resistencia al impacto Charpy: 22 kJ/m²
• Límite elástico de tracción: 39 MPa
• Dureza Shore: 79D
• HDT: a 0.45 MPa 94.2 °C; a 1.80 MPa 86.0 °C
• Boquilla endurecida necesaria: Sí

*Como se observó durante las pruebas de materiales, hay muchos factores que influyen en los resultados generales, como el estado de la impresora 3D, el laminado, etc. Por lo tanto, las propiedades de protección de sus impresiones podrían diferir ligeramente.

Ten en cuenta que el perfil de impresión Prusament PETG Tungsten 75% no está incluido en PrusaSlicer, por favor descarga el paquete Config (MK3S+) aquí. Si necesita un perfil de impresión para otra impresora 3D Original Prusa, ponte en contacto con nuestro soporte y estaremos encantados de ayudarle.

¿Cómo funciona en la práctica?

Hemos intentado hacer una prueba de concepto con un aparato de protección para jeringuillas utilizadas con radiofármacos de medicina nuclear. Hemos utilizado el Prusament PETG Tungsten 75% para imprimir una pieza deseada con un grosor de aproximadamente 8 mm de espesor de protección, lo que equivale a 5.7 HVLs (basado en ^99mTc). Este aparato se diseñó específicamente para el sistema de infusión de radiofármacos que utiliza el Hospital Olomouc en sus laboratorios. Con nuestra pieza impresa en 3D, el personal del hospital puede cambiar entre más protecciones de jeringuillas.

Apantallamiento impreso de Prusament PETG Tungsten 75%

Aunque la protección impresa en 3D fue significativamente más grueso que el tungsteno puro, que se utiliza comercialmente, la impresión 3D fue significativamente más rápida (teniendo en cuenta el pedido, el transporte, etc.). En algunos casos, pedir piezas de repuesto puede ser demasiado complicado y el Prusament PETG Tungsten 75% puede ayudar a crear un sustituto adecuado. Esto muestra un gran potencial en diversas reparaciones rápidas y mejoras en instrumentos radiológicos. Y, por último, en algunas piezas, la fabricación aditiva puede ahorrar no solo tiempo, sino también dinero.

Precio, color y peso

Normalmente, fabricamos filamentos de varios colores con fines estéticos. Sin embargo, los materiales técnicos, especialmente los rellenos de metal y carbono, suelen ser coloreado por el fino polvo del interior del polímero. Por eso nuestro filamento de tungsteno sólo se colorea en gris metálico oscuro. La bobina estándar contiene 1 kg de material, que equivale a 100 m de filamento. Pero además, también ofrecemos muestras de 100 g que contienen aprox. 10 m de filamento. Tenga en cuenta que, debido a la gran cantidad de tungsteno, el volumen total del material es significativamente menor. El precio de 1 kg de material es 229 USD / 249 EUR (IVA incl.), la muestra de 100g cuesta 23.99 USD / 25.99 EUR (IVA incl.).

Calibra tu impresora con nuestra herramienta antes de imprimir piezas grandes y pesadas

Ten en cuenta que necesitas la impresora en el mejor estado posible. Cualquier atasco u otros desperfectos llevan a peores propiedades de protección contra las radiaciones. Aunque no podemos garantizarle que obtendrá exactamente los mismos valores que encontramos en nuestras pruebas, podemos ayudarle a obtener los mejores resultados posibles. Para ello, hemos diseñado este bloque de calibración que debe pesar al menos 5.4g, cuando se imprime. Te recomendamos que la imprimas y la peses antes de empezar a crear piezas grandes y pesadas. Así podrá saber si tu impresora está el mejor estado posible necesario para imprimir correctamente con Prusament PETG Tungsten 75%. Si observas algún defecto en el bloque o compruebas que el peso es significativamente inferior a 5.4 g, limpia bien la impresora y repite el proceso. Por último, recomendamos probar tus impresiones para averiguar la HVL exacta, al igual que hicimos con el Tecnecio metaestable.

Comparación de dos bloques impresos en 3D, la de la izquierda representa una impresora bien calibrada, la de la derecha muestra subextrusión (posiblemente una boquilla parcialmente atascada).

Aplicaciones típicas

En cuanto al mejor uso, diseñamos el Prusament PETG Tungsten 75% en parte para aplicaciones médicas (por ejemplo, radiología), pero nuestro objetivo es toda la industria de protección contra las radiaciones. Hay una serie de ámbitos en los que se pueden utilizar filamentos de protección contra las radiaciones. Entre ellos se incluyen, por ejemplo, la industria aeroespacial, la industria de la energía nuclear, los ensayos no destructivos, los dispositivos de obtención de imágenes por rayos X, etc. Entendemos que el Prusament PETG Tungsten 75% no está diseñado para la comunidad en su conjunto, sino más bien para la investigación especializada y el uso de ingeniería de alta gama. Creemos que muy pronto veremos muchas piezas de protección fantásticas diseñadas e impresas por usted. Si tiene alguna idea que pueda implicar nuestra cooperación, por favor, háznoslo saber. Siempre estamos dispuestos a probar algo nuevo.

Ejemplos de uso

Protección de radiofármacos	Protección de radiofármacos (completamente desmontado)
Herramienta de prueba para equipos de radiodiagnóstico (El fondo cuadrado está impreso con Prusament PETG puro)	Herramienta de prueba para equipos de diagnóstico radiológico fotografiados bajo los rayos X (Los círculos concéntricos están impresos con Prusament PETG Tungsten 75%, el cuadrado pálido es el PETG puro)
Colimadores de gammacámara personalizados	Cubierta de protección a medida (Para uso en salas de rayos X)