Limitaciones geométricas en impresión 3D

Limitaciones geométricas en impresión 3D
Impresión 3D Prototipado | 3D Printing Prototyping | Dima 3D

  • La impresión 3D se ha concebido como un método simple de obtención de piezas para prototipado rápido. Es decir cada uno de nosotros en nuestra casa, oficina o escuela somos capaces de materializar todas estas ideas. Sin embargo, en el día a día de la impresión 3D se presentan diferentes obstáculos añadidos que sortear. Uno de los más comunes son las limitaciones del propio proceso de deposición de material fundido que afectan a las posibles geometrías que imprimimos.

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  • La propia acción de la gravedad en el proceso de enfriamiento del filamento al ser expulsado por el Hot-End provoca una deformación en ciertas partes de la geometría de la pieza. Concretamente, se presentan dos casos en los que la tecnología FFF/FDM tiene limitaciones, en estos casos se deberá tomar algunas medidas, posteriormente explicadas, para que no sucedan defectos de impresión.

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  • Ángulo de inclinación / Voladizos

    La técnica de impresión 3D por deposición de material fundido basa su funcionamiento en la sucesiva deposición de capas, lo que confiere a la pieza el volumen deseado. Este hecho, lleva implícita la necesidad de una capa anterior sobre la que se sustenta la siguiente, ya que de no existir una capa anterior, se derramaría.

    Por ese motivo, en impresión 3D FFF/FDM tiene importancia el ángulo formado por las geometrías verticales respecto del eje Z. Ese ángulo, mostrado en la imagen como b, es crítico para que la impresión resulte correcta. La definición de un ángulo “b” concreto es muy compleja, ya que este depende de los siguientes factores:

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    • Velocidad de enfriamiento del filamento fundido que expulsa el Hot-end. Por este motivo, la temperatura ambiente, la existencia de ventilador de capa en el equipo y el coeficiente de conductividad térmica del material influyen mucho en el acabado de piezas con estas geometrías. Solo mencionar que no todos los materiales aceptan ventilación de capa, por ejemplo, el ABS al introducir esta característica, se produce en la pieza el fenómeno conocido como delaminación (explicado en el apartado de defectos de impresión). Este fenómeno tiene relación con el coeficiente de dilatación térmica propio de cada material.

    • Temperatura de extrusión. Al igual que en el factor anterior, el plástico fundido expulsado por el Hot-End se endurece tras bajar de una temperatura determinada dependiendo de cada plástico, por este motivo temperaturas excesivas en el Hot-End son factores que empeoran el acabado en geometrías con el ángulo descrito.

    • Velocidad de impresión/ área útil de impresión. En otras ocasiones, donde el área de la capa con esta geometría es reducida, velocidades altas de impresión provocan defectos debidos a que la capa anterior no la ha dado tiempo a enfriarse correctamente antes de que la siguiente se deposite sobre ella. Esto provoca un fenómeno de fluencia viscosa sobre estas geometrías que finalmente aparecerán deformadas y sin el ángulo/definición deseados.

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Por lo general, aunque esto dependerá del equipo de impresión 3D, de las opciones de laminación, material y otras, ángulos respecto a la vertical mayores de 60-70 grados darán problemas y defectos en la impresión de la pieza.

  • Puentes

    Representan la segunda limitación más frecuente en impresión 3d. De forma habitual, nos encontramos con geometrías en las que la pieza presenta un techo, es decir, entre dos pilares la siguiente capa tendrá zonas en las que no se sustenta sobre una capa anterior.

    En este caso, a diferencia de la limitación de ángulo, la impresora podrá realizar estas geometrías sin problemas siempre y cuando se tenga en cuenta la máxima distancia H mostrada en la imagen.

    Si la distancia H es demasiado grande, el hilo expulsado se deformará antes de encontrar soporte en el siguiente pilar.

    Los factores son los mismos que en el caso anterior. Esta vez, podemos establecer una distancia máxima orientativa H de alrededor de 10mm.

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Para superar estas dificultades y conseguir un acabado de aquellas piezas más complejas que contengan todas estas peculiaridades, en el siguiente artículo se explicarán métodos como la generación de soportes.

Limitaciones geométricas en impresión 3D
Impresión 3D Prototipado | 3D Printing Prototyping | Dima 3D

Ejemplos de prototipado (II)

Ejemplos de prototipado (II)
Impresión 3D Prototipado | 3D Printing Prototyping | Dima 3D

 

Fabricación de repuesto en sector de automoción

Talleres Martínez (www.martinezmotor.com) es un taller mecánico ubicado en la localidad de Boecillo, en Valladolid, que encontró en nuestro servicio de impresión una solución comercial que poder ofrecer a uno de sus clientes para una pieza de repuesto en su automóvil.

El problema de dicho cliente es que se le había roto una pieza de sujeción lateral de la cortinilla del maletero de su vehículo. El repuesto oficial de la marca, en este caso, englobaba de forma conjunta e inseparable tanto la propia cortinilla como las dos piezas de sujeción laterales. Esto obligaba a adquirir más piezas de repuesto de las estrictamente necesarias, que además suponían un desembolso económico importante.

Cuando Talleres Martínez contactó con el servicio de prototipado de DIMA 3D, solamente podían proporcionar al principio unas fotos de la pieza que se había roto, pero tras una breve conversación telefónica resultaron suficientes para analizar la viabilidad del proyecto. El plan era diseñar en 3D una pieza lo más similar posible y fabricarla por impresión 3D.

Ejemplo prototipado Talleres Martínez Imagen 1

Pieza original estropeada

El siguiente paso consistió en hacernos llegar la pieza rota. De esta forma pudimos analizarla en detalle, tomar medidas y terminar de concretar todos los aspectos estéticos, funcionales y mecánicos necesarios para su diseño y fabricación. Con ello, uno de nuestros diseñadores elaboró un diseño 3D con software CAD que revisamos y validamos.

Ejemplo prototipado Talleres Martínez modelo 3D

Proceso de diseño 3D de la pieza de repuesto

Una vez validado el diseño, analizamos las especificaciones mecánicas de la pieza, tales como la resistencia y el peso que debía soportar una vez instalada, configurando los parámetros de impresión más apropiados para ello. El material escogido en este caso fue PLA, con un buen porcentaje de relleno. Este material era el más apropiado a la geometría de la pieza, aportaba la rigidez necesaria y permitía que Talleres Martínez pudiera después aplicar un post-procesado para pintar la pieza en el color necesario antes de su instalación.

A continuación se muestra la pieza de repuesto tal cual se fabricó, antes de someterla al proceso de pintado, y que reproducía fielmente la pieza original.

Ejemplo prototipado Talleres Martínez pieza impresa

Pieza de repuesto fabricada por impresión 3D

De esta forma y en menos de una semana, Talleres Martínez pudo satisfacer la necesidad de uno de sus clientes proporcionándole un ahorro de más del 70% en el coste del repuesto. Además este diseño pasa a formar parte de un stock virtual que se puede materializar en cualquier momento: en caso de necesitar en el futuro un nuevo repuesto de la misma pieza, el modelo puede volver a imprimirse de forma inmediata.

Ejemplos de prototipado (II)
Impresión 3D Prototipado | 3D Printing Prototyping | Dima 3D

Ejemplos de prototipado (I)

Ejemplos de prototipado (I)
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Fabricación de repuesto para tetera

En este caso de servicio de prototipado fabricamos un repuesto para el embellecedor de la válvula de una tetera de colección. Cuando el cliente contactó con nosotros solamente tenía la pieza original rota, y quería poder restaurarla, evitando tener que deshacerse de ella sólo por una pequeña rotura de este elemento estético.

Ante la dificultad de encontrar un repuesto en el mercado, especialmente en este tipo de productos en los cuales los fabricantes no suelen ofrecer repuestos, o en el caso de hacerlo los costes son realmente altos, el cliente se puso en contacto con nosotros para que le facilitásemos un presupuesto de la pieza.

Generalmente, a la hora de realizar un servicio de prototipado, nos encontramos con tres casos:

  1. El cliente dispone del modelo 3D. En este caso simplemente imprimimos la pieza siguiendo las consideraciones del cliente, o acordadas entre el cliente y nuestro equipo de profesionales, como material, color, resistencia, definición en el acabado, etc…
  2. El cliente no dispone del modelo 3D pero sí de los planos de la pieza. Ocurre numerosas veces que la persona no tiene conocimientos de diseño CAD y, por tanto, no ha podido generar el modelo 3D de la pieza, pero sí tiene los planos y las acotaciones para poder generarla. En este caso nuestros expertos en diseño CAD se encargan de crear el modelo 3D a partir de los planos.
  3. El cliente no dispone del modelo 3D ni de los planos con las medidas. Ni siquiera este caso supone ningún problema siempre y cuando se cuente con la pieza original que se quiere replicar. Nuestro equipo, partiendo de la pieza física, generará el modelo 3D bien sea tomando medidas o a través de digitalización 3D usando equipos de escáner 3D.

El ejemplo descrito pertenece al tercer caso. El cliente nos facilitó la pieza original dañada y a partir de ella reconstruimos el modelo 3D tomando diferentes medidas con ayuda de un micrómetro.

Realizamos previamente un análisis técnico de la pieza observando que para su posterior impresión era necesario añadir en el diseño una zona que servirá como material de soporte ya que es una parte de la geometría que se encuentra en el aire y la máquina no tiene capacidad para imprimirla. Además, creamos un pequeño orificio roscado, replicando el original, que es la zona donde se va a roscar a la tapa de la tetera.

Modelado 3D pieza tetera

Pieza original y modelado 3D

Una vez generado el modelo procedemos a imprimirlo. En este caso optamos por configurar unas opciones de impresión con buen acabado superficial y un porcentaje de relleno medio-alto, ya que es una pieza que, a pesar de funcionar como embellecedor, y por tanto necesitar calidad superficial, también exige una cierta resistencia al ir roscada a la tapa de la tetera.

Tras obtener la pieza impresa eliminamos los soportes necesarios para poder imprimirla correctamente y la sometimos a un tratamiento de lijado para mejorar el acabado. Los soportes forman parte de la pieza al imprimirla y nos sirven para poder salvar la gran limitación de la tecnología FFF (Fabricación con Filamento Fundido) que es la imposibilidad de imprimir geometrías con ángulos muy pronunciados. En realidad, se utiliza el mínimo material necesario para que la impresora tenga un punto de apoyo para generar el trazado y, además, se imprime a una menor densidad para facilitar su posterior retirada.

Una de las grandes ventajas de esta tecnología es la posibilidad de realizar procesos de post-impresión para mejorar los acabados de las piezas. En anteriores entradas vimos detalladamente algunos de los mismos. Con esta pieza, al someterla a un tratamiento de lijado, conseguimos eliminar la rugosidad de las capas propia de la fabricación con filamento fundido.

Finalmente, tras el tratamiento, tenemos la pieza definitiva lista para ensamblar en la tetera, y por lo tanto conseguir restaurarla.

Pieza reemplazo tetera

Pieza original, impresa y tratada

Ejemplos de prototipado (I)
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