Impresoras 3d

Impresoras 3d FDM

IMPRESORAS 3D FDM

En esta introducción a la impresión en FDM 3D, cubrimos los principios básicos de la tecnología. Después de leer este artículo comprenderá la mecánica fundamental del proceso FDM y cómo se relacionan con sus beneficios y limitaciones.

¿Qué es FDM?

FDM (Fused Deposition Modeling), o FFF (Fused Filament Fabrication), es un proceso de fabricación aditivo que pertenece a la familia de la extrusión de materiales. En FDM, un objeto se construye depositando selectivamente el material fundido en un camino predeterminado capa por capa. Los materiales utilizados son polímeros termoplásticos y se presentan en forma de filamentos.

FDM es la tecnología de impresión en 3D más utilizada: representa la mayor base instalada de impresoras 3D del mundo y es a menudo la primera tecnología a la que se expone la gente. En este artículo se presentan los principios básicos y los aspectos clave de la tecnología.

Un diseñador debe tener en cuenta las capacidades y limitaciones de la tecnología a la hora de fabricar una pieza con FDM, ya que esto le ayudará a conseguir el mejor resultado.

¿Cómo funciona el FDM?

Primero se carga un carrete de filamento termoplástico en la impresora 3d. Una vez que la boquilla ha alcanzado la temperatura deseada, el filamento es alimentado al cabezal de extrusión y en la boquilla donde se funde.

El cabezal de extrusión está unido a un sistema de 3 ejes que le permite moverse en las direcciones X, Y y Z. El material fundido se extrude en finas hebras y se deposita capa por capa en lugares predeterminados, donde se enfría y solidifica. A veces el enfriamiento del material se acelera mediante el uso de ventiladores conectados al cabezal de extrusión.

Para rellenar un área, se requieren múltiples pasadas (similar a colorear un rectángulo con un marcador). Cuando se termina una capa, la plataforma de construcción se mueve hacia abajo (o en otras configuraciones de la máquina, el cabezal de extrusión se mueve hacia arriba) y se deposita una nueva capa. Este proceso se repite hasta que la pieza esté completa

frenchy3d_70346635_196778924657263_180023151478315710_n

Características del FDM

La mayoría de los sistemas FDM permiten el ajuste de varios parámetros de proceso, incluyendo la temperatura tanto de la boquilla como de la plataforma de construcción, la velocidad de construcción, la altura de la capa y la velocidad del ventilador de enfriamiento. Estos son generalmente establecidos por el operador, por lo que deben ser de poca importancia para el diseñador.

Lo que es importante desde la perspectiva de un diseñador es el tamaño de la construcción y la altura de la capa:

El tamaño disponible de una impresora 3D de sobremesa es normalmente de 200 x 200 x 200 mm, mientras que para las máquinas 3d industriales puede ser de hasta 1000 x 1000 x 1000 mm. Si se prefiere una máquina de sobremesa (por ejemplo, para reducir el coste), un modelo grande puede dividirse en partes más pequeñas y luego ensamblarse.

La altura de capa típica utilizada en FDM varía entre 50 y 400 micras y puede determinarse en el momento de realizar un pedido. Una altura de capa más pequeña produce piezas más lisas y captura geometrías curvas con mayor precisión, mientras que una altura más grande produce piezas más rápidas y a un menor costo. Una altura de capa de 200 micras es la más comúnmente utilizada. Un artículo sobre el impacto de la altura de la capa en una pieza impresa en 3D se puede encontrar aquí.

cura 4.2 beta

Warping

El alabeo es uno de los defectos más comunes del FDM. Cuando el material extruido se enfría durante la solidificación, sus dimensiones disminuyen. Como las diferentes secciones de la impresión se enfrían a diferentes velocidades, sus dimensiones también cambian a diferentes velocidades. El enfriamiento diferencial causa la acumulación de tensiones internas que tiran de la capa subyacente hacia arriba, causando que se deforme, como se ve en la figura 3. Desde un punto de vista tecnológico, la deformación puede evitarse mediante una supervisión más estrecha de la temperatura del sistema FDM (por ejemplo, de la plataforma de construcción y de la cámara) y aumentando la adhesión entre la pieza y la plataforma de construcción.

Las opciones del diseñador también pueden reducir la probabilidad de deformación:

Las áreas planas grandes (piense en una caja rectangular) son más propensas a deformarse y deben evitarse cuando sea posible.
Los rasgos sobresalientes finos (piense en las puntas de un tenedor) también son propensos a deformarse. En este caso, se puede evitar la deformación añadiendo material de sacrificio en el borde de la característica delgada (por ejemplo, un rectángulo de 200 micras de grosor) para aumentar el área que toca la plataforma de construcción.
Las esquinas afiladas se deforman con más frecuencia que las formas redondeadas, por lo que añadir filetes a su diseño es una buena práctica.
Los diferentes materiales son más susceptibles a la deformación: El ABS es generalmente más sensible a la deformación que el PLA o PETG, debido a su mayor temperatura de transición vítrea y a su coeficiente de expansión térmica relativamente alto.

Adhesión de capas

Una buena adhesión entre las capas depositadas es muy importante para una pieza de FDM. Cuando el termoplástico fundido se extrude a través de la boquilla, se presiona contra la capa anterior. La alta temperatura y la presión refunde la superficie de la capa anterior y permite la unión de la nueva capa con la parte previamente impresa.

La fuerza de adherencia entre las diferentes capas es siempre inferior a la fuerza de base del material.

Esto significa que las piezas FDM son inherentemente anisotrópicas: su resistencia en el eje Z es siempre menor que en el plano XY. Por esta razón, es importante tener en cuenta la orientación de las piezas cuando se diseñan piezas para FDM.

Por ejemplo, las piezas de prueba de tracción impresas horizontalmente en ABS al 50% del relleno se compararon con las piezas de prueba impresas verticalmente y se descubrió que tenían una resistencia a la tracción casi 4 veces mayor en la dirección de impresión X,Y en comparación con la dirección Z (17,0 MPa en comparación con 4,4 Mpa) y se alargaron casi 10 veces más antes de romperse (4,8% en comparación con 0,5%).

Además, como el material fundido se presiona contra la capa anterior, su forma se deforma hasta convertirse en un óvalo. Esto significa que las piezas de FDM siempre tendrán una superficie ondulada, incluso para una altura de capa baja, y que las pequeñas características, tales como pequeños agujeros o roscas, pueden necesitar ser postprocesadas después de la impresión.

printer 3d cura 4.2

Estructura de soporte

La estructura de apoyo es esencial para crear geomentrías con voladizos en FDM. El termoplástico fundido no se puede depositar en el aire. Por esta razón, algunas geometrías requieren una estructura de soporte. Un artículo detallado que explica el uso de la estructura de soporte se puede encontrar aquí.

Las superficies impresas en el soporte serán generalmente de menor calidad superficial que el resto de la pieza. Por esta razón, se recomienda que la pieza se diseñe de tal manera que se minimice la necesidad de soporte.

El soporte se suele imprimir en el mismo material que la pieza. También existen materiales de soporte que se disuelven en líquido, pero se utilizan principalmente en impresoras de sobremesa de gama alta o en impresoras industriales FDM 3D. La impresión en soportes disolubles mejora significativamente la calidad de la superficie de la pieza, pero aumenta el coste total de una impresión, ya que se requiere una máquina especializada (con doble extrusión) y porque el coste del material disoluble es relativamente alto.

Infill & Shell Thickness

Las piezas FDM normalmente no se imprimen de forma sólida para reducir el tiempo de impresión y ahorrar material. En su lugar, el perímetro exterior se traza utilizando varios pasos, llamados la cáscara, y el interior se rellena con una estructura interna de baja densidad, llamada el relleno.

El relleno y el espesor de la carcasa afectan en gran medida a la resistencia de una pieza. Una guía para elegir los mejores parámetros de carcasa y relleno para la impresión FDM 3D se puede encontrar aquí. Para las impresoras FDM de sobremesa, el ajuste predeterminado es del 25% de densidad de relleno y 1 mm de grosor de carcasa, lo que supone un buen compromiso entre resistencia y velocidad para las impresiones rápidas.

Materiales comunes de FDM

frenchy3d_69737857_190629521935843_1127969508338924740_n

Uno de los puntos fuertes de FDM es la amplia gama de materiales disponibles. Estos pueden variar desde termoplásticos básicos (como PLA y ABS) hasta materiales de ingeniería (como PA, TPU y PETG) y termoplásticos de alto rendimiento (como PEEK y PEI).

El material utilizado afectará a las propiedades mecánicas y a la precisión de la pieza impresa, pero también a su precio. Los materiales más comunes de FDM se resumen en la siguiente tabla. Una revisión de las principales diferencias entre el PLA y el ABS, los dos materiales de FDM más comunes, y una extensa comparación de todos los materiales de FDM comunes se puede encontrar en los artículos dedicados

Post procesado

Las piezas de FDM pueden ser terminadas a un nivel muy alto usando varios métodos de post-procesamiento, tales como lijado y pulido, imprimación y pintura, soldadura en frío, alisado con vapor, recubrimiento epoxi y metalizado de metales. Un extenso artículo sobre el post-procesamiento de piezas de FDM se puede encontrar aquí

Beneficios y limitaciones del FDM

A continuación se resumen las principales ventajas y desventajas de esta tecnología:

FDM es la forma más rentable de producir piezas y prototipos termoplásticos personalizados.
Los plazos de entrega de FDM son cortos (tan rápidos como la entrega al día siguiente), debido a la alta disponibilidad de la tecnología.
Existe una amplia gama de materiales termoplásticos disponibles, adecuados tanto para prototipos como para algunas aplicaciones funcionales no comerciales.

FDM tiene la menor precisión y resolución dimensional en comparación con otras tecnologías de impresión en 3D, por lo que no es adecuado para piezas con detalles complejos.
Es probable que las piezas de FDM tengan líneas de capa visibles, por lo que se requiere un posprocesamiento para obtener un acabado liso.
El mecanismo de adhesión de las capas hace que las piezas FDM sean inherentemente anisotrópicas.

En artículos posteriores de la Base de Conocimientos se ofrecen directrices detalladas de diseño de cada uno de los aspectos que aquí se tratan.

Reglas generales

  • FDM puede producir prototipos y piezas funcionales de forma rápida y económica a partir de una amplia gama de materiales termoplásticos.
  • El tamaño típico de una impresora FDM 3D de escritorio es de 200 x 200 x 200 x 200 mm.
  • Las máquinas industriales tienen un tamaño de construcción más grande.
  • Para evitar que se deforme, evite las grandes áreas planas y añada filetes en las esquinas afiladas.
  • El FDM es inherentemente anisotrópico, por lo que no se recomienda para componentes mecánicamente críticos.