Que tan Dieléctrico es el PLA en impresión 3D ?

Imprimiendo piezas 3d me hice la pregunta que tan aislante es el PLA? Cuál es su tensión máxima que lo puedo someter?

El plástico PLA (ácido poliláctico), comúnmente utilizado en la impresión 3D, es un material dieléctrico, lo que significa que puede actuar como un aislante eléctrico. Sin embargo, no es un excelente dieléctrico comparado con otros materiales, como los plásticos industriales especializados (p. ej., PTFE o polietileno).

 

Que es un dieléctrico?

Siendo mas técnicos, un dieléctrico es un material que no conduce electricidad, pero puede almacenar energía eléctrica cuando se coloca en un campo eléctrico. Básicamente, actúa como un aislante, evitando el paso de la corriente, pero permite que se acumule una carga eléctrica en su superficie. Ejemplos comunes de dieléctricos son el vidrio, el plástico y el aire.

 

Tensión de ruptura dieléctrica del PLA

La capacidad de un material para resistir el voltaje antes de romperse y permitir el paso de corriente se mide en términos de tensión de ruptura dieléctrica, normalmente en kV/mm (kilovoltios por milímetro). Para el PLA, este valor varía dependiendo de las condiciones exactas del material, pero está típicamente entre 10 y 60 kV/mm según diversos papers (ver referencias)

 
Cuando un rayo logra romper el dieléctrico (aislación) del aire (atomósfera)

 

¿Qué significa esto?

Si imprimes una pieza con 1 mm de espesor sólida de PLA, podría soportar unos 10 kV antes de que el material se degrade y permita el paso de corriente, dependiendo de varios factores.

Factores que afectan la resistencia dieléctrica del PLA

1. Espesor: A mayor espesor, mayor capacidad de soportar voltajes altos.
   
2. Condiciones ambientales: La humedad y el calor pueden degradar las propiedades dieléctricas del PLA, reduciendo su capacidad de aislamiento.
3. Calidad del material: PLA de baja calidad o con impurezas tendrá una menor resistencia dieléctrica.
4. Uniformidad del material: Las pequeñas imperfecciones en el proceso de impresión, como poros o áreas mal fundidas, podrían reducir la capacidad dieléctrica. 
5. Frecuencia eléctrica: El material sometido a diferentes frecuencias de tensión puede brindar diferente niveles de dieléctrico.
   
6. Impresión 3D: El proceso de impresión, que genera capas y posibles huecos (relleno), podría reducir la resistencia dieléctrica en comparación con una pieza sólida de material moldeado. Incluso los patrones de relleno pueden variar su dieléctrico.
   

Variación de la permeabilidad eléctrica y densidad de relleno, estudio de uno de los papers

 

Conclusión

Si bien el PLA puede actuar como un aislante y resistir ciertos niveles de voltaje, no es ideal para aplicaciones de alta tensión o ambientes críticos donde se necesite un dieléctrico muy resistente. No hay una respuesta concreta pero en general, una pieza de 1 mm de PLA impreso puede soportar alrededor de  10 kV, pero es importante tener en cuenta las variaciones debidas a la calidad y el espesor del material. No ejecuté pruebas reales de forma personal, pero es un valor de referencia según diversos papers publicados suficiente para las consideraciones de creación de algunos gabinetes para los proyectos de electrónica de baja potencia.

 

Referencia 

• http://www.kerrywong.com/2019/01/06/pla-dielectric-strength-measurement/
• https://www.youtube.com/watch?v=ZqXQRq8As1o
• https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214860419318214
  
• https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC9942642/
• https://link.springer.com/content/pdf/10.1007/s40964-023-00411-0.pdf