Optimización de Procesos de Impresión 3D - TFG - PDF

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID ESCUELA DE INGENIERIAS INDUSTRIALES Grado en Ingeniería Mecánica OPTIMIZACIÓN DE LOS PROCESOS DE IMPRESIÓN 3D Autor: MARTÍN MORLANES, JUAN LUIS Tutor: Delgado Urrecho, Javier Área de Ingeniería de los Procesos de Fabricación Valladolid, noviembre de 2020. ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES UNIVERSIDAD DE VALLADOLID MARTÍN MORLANES, JUAN LUIS RESUMEN Realizar una correcta impresión puede resultar muchas veces complicado, sobre todo para personas que se inician en el mundo de la impresión 3D. Existen una gran variedad de conceptos y conocimientos que son difíciles de dominar y normalmente requieren de una alta experiencia en impresión para llegar a dominarlos, por ello esta guía de optimización servirá como lectura obligatoria para los iniciados en este campo y además de ayuda o consulta para depurar errores en las impresiones de los ya avanzados (en muchos casos la alta personalización no hace rentable el proceso de prueba error de prototipado y se necesita obtener el mejor resultado al mínimo número de intentos), ya que como todo proceso de producción todo error cometido se traduce en costes y pérdidas tanto de material y tiempo. Por todo lo anterior veremos en que consiste la impresión por FDM, los componentes más importantes de las impresoras y su influencia, materiales típicos su utilidad y como imprimirlos, y por último, diferentes métodos para mejorar la impresión y evitar los errores típicos. PALABRAS CLAVE Impresión 3D. FDM. Fused Deposition Modeling Componentes Impresora 3D. Proceso de impresión 3D. Mejoras de proceso. Ayuda técnica. Soluciones impresión 3D. Problemas de impresión 3D. Caracterización de filamento. Calibración. OPTIMIZACIÓN DE LOS PROCESOS DE IMPRESIÓN 3D ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES UNIVERSIDAD DE VALLADOLID ABSTRACT Making a correct printing can often be complicated, especially for people who are just starting out in the world of 3D printing. There is a wide variety of concepts and knowledge difficult to command, which usually require a high experience in printing to master. This optimization guide will therefore work as mandatory reading for those initiating in this field and as a helping and consulting guide in order to debug errors in the printings for the already advanced ones. In many cases, the high customization does not make the prototyping trial error process profitable and it is necessary to obtain the best result with the minimum number of attempts. This is because every mistake implies costs and loss of both material and time, just like in any other productive process. Due to the mentioned reasons, we will be studying what FDM printing consists of, the most important components of printers and their influence, typical materials, how to print them and their usefulness, and finally, different methods to improve printing and to avoid the typical errors. KEYWORDS 3D print. FDM. Fused Deposition Modeling 3D printer components. 3D printing process. Process improvements. Technical support. 3D printing solutions. 3D printing problems. Filament characterization. Calibration. MARTÍN MORLANES, JUAN LUIS ÍNDICE DE CONTENIDOS CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS................................................................. 1 CAPÍTULO 2. INTRODUCCIÓN A LA IMPRESIÓN 3D...................................................... 3 2.1. BREVE HISTORIA DE LA IMPRESIÓN 3D............................................................... 4 2.1.1. HECHOS DESTACABLES EN LA IMPRESIÓN 3D............................................ 4 2.2. AVANCES EN LA INGENIERÍA............................................................................... 6 2.3. MEJORAS EN LA IMPRESIÓN 3D.......................................................................... 7 2.4. COMPARACIÓN CON EL MECANIZADO CNC....................................................... 8 CAPÍTULO 3. IMPRESIÓN 3D POR FDM...................................................................... 11 3.1. FUNCIONAMIENTO DE LA IMPRESIÓN 3D POR DEPOSICIÓN FUNDIDA........... 11 3.2. OTROS MÉTODOS DE IMPRESIÓN 3D............................................................... 12 3.2.1. FOTOPOLIMERIZACIÓN............................................................................. 12 3.2.2. FUSIÓN DE LECHO DE POLVO.................................................................... 14 3.2.3. INYECCIÓN DE MATERIAL.......................................................................... 16 3.2.4. LAMINACIÓN DE HOJAS............................................................................ 17 3.2.5. DEPOSICIÓN DIRECTA DE ENERGÍA........................................................... 18 CAPÍTULO 4. COMPONENTES DE UNA IMPRESORA 3D FDM Y SU INFLUENCIA........ 21 4.1. ESTRUCTURA..................................................................................................... 22 4.1.1. DEFECTOS DE UNA ESTRUCTURA DÉBIL.................................................... 22 4.1.2. TIPOS DE ESTRUCTURAS........................................................................... 23 4.1.3. BASE O CAMA............................................................................................ 25 4.1.3.1. CAMA DE VIDRIO............................................................................... 25 4.1.3.2. CAMA DE METAL............................................................................... 26 4.1.3.3. OTROS AÑADIDOS............................................................................. 27 4.1.3.3.1. CAMA CALIENTE............................................................................. 27 4.1.3.3.2. CAMA FLEXIBLE MAGNETICA......................................................... 28 4.2. EXTRUSIÓN........................................................................................................ 29 4.2.1. ZONA DE ALIMENTACIÓN......................................................................... 29 4.2.1.1. ENGRANAJE Y MOTOR DE EMPUJE................................................... 30 4.2.1.2. TIPO DE ALIMENTACIÓN................................................................... 31 4.2.1.2.1. DIRECTA......................................................................................... 31 4.2.1.2.2. BOWDEN........................................................................................ 32 4.2.2. ZONA ENFRIAMIENTO DEL EXTRUSOR...................................................... 33 OPTIMIZACIÓN DE LOS PROCESOS DE IMPRESIÓN 3D ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES UNIVERSIDAD DE VALLADOLID 4.2.2.1. DISIPADOR Y VENTILADOR................................................................ 33 4.2.2.2. BARREL, GARGANTA O BARRERA TÉRMICA...................................... 33 4.2.3. ZONA CALENTAMIENTO DEL EXTRUSOR O FUSOR................................... 36 4.2.3.1. BLOQUE CALENTADOR...................................................................... 36 4.2.3.2. NOZZLE O BOQUILLA......................................................................... 37 4.3. MECÁNICA......................................................................................................... 39 4.3.1. TIPO DE MOVIMIENTO.............................................................................. 39 4.3.1.1. CARTESIANAS.................................................................................... 39 4.3.1.2. CORE-XY............................................................................................. 40 4.3.1.3. DELTA................................................................................................. 41 4.3.2. CORREAS Y POLEAS................................................................................... 42 4.3.3. VARILLAS.................................................................................................... 43 4.3.4. RODAMIENTOS.......................................................................................... 43 CAPÍTULO 5. MATERIALES UTLIZADOS EN FDM......................................................... 45 5.1. CONSIDERACIONES INICIALES........................................................................... 45 5.2. PLA..................................................................................................................... 46 5.2.1. COMO IMPRIMIR PLA................................................................................ 46 5.2.2. VENTAJAS Y LIMITACIONES....................................................................... 47 5.2.3. APLICACIONES........................................................................................... 47 5.3. ABS.................................................................................................................... 48 5.3.1. COMO IMPRIMIR ABS................................................................................ 48 5.3.2. VENTAJAS Y LIMITACIONES....................................................................... 49 5.3.3. APLICACIONES........................................................................................... 49 5.4. ASA.................................................................................................................... 50 5.4.1. COMO IMPRIMIR ASA................................................................................ 50 5.4.2. VENTAJAS Y LIMITACIONES....................................................................... 51 5.4.3. APLICACIONES........................................................................................... 51 5.5. PET y PETG......................................................................................................... 52 5.5.1. COMO IMPRIMIR PETG............................................................................. 52 5.5.2. VENTAJAS Y LIMITACIONES....................................................................... 53 5.5.3. APLICACIONES........................................................................................... 53 5.6. PVA.................................................................................................................... 54 5.6.1. COMO IMPRIMIR PVA............................................................................... 54 5.6.2. VENTAJAS Y LIMITACIONES....................................................................... 55 MARTÍN MORLANES, JUAN LUIS 5.6.3. APLICACIONES........................................................................................... 55 5.7. OTROS MATERIALES DE IMPRESIÓN................................................................. 56 5.7.1. TERMOPLÁSTICOS DE ALTO RENDIMIENTO.............................................. 56 5.7.2. MATERIALES FLEXIBLES............................................................................. 56 5.7.3. FIBRAS DE CARBONO................................................................................ 57 5.7.4. MATERIALES HÍBRIDOS............................................................................. 57 5.7.5. LOS MATERIALES SOLUBLES...................................................................... 58 CAPÍTULO 6. PROCESO DE IMPRESIÓN 3D................................................................. 59 6.1. DISEÑO EN CAD................................................................................................. 59 6.1.1. CONSEJOS PARA EL MODELADO 3D.......................................................... 59 6.1.2. DIGITALIZADO 3D...................................................................................... 60 6.2. OBTENER EL STL................................................................................................ 61 6.2.1. EXPORTAR A STL........................................................................................ 62 6.3. SEGMENTADOR Y PARÁMETROS DE IMPRESIÓN............................................. 63 6.3.1. VELOCIDAD DE IMPRESIÓN....................................................................... 64 6.3.2. TEMPERATURA DE IMPRESIÓN................................................................. 66 6.3.3. ALTURA DE CAPA....................................................................................... 66 6.3.4. ORIENTACIÓN DE LA PIEZA....................................................................... 67 6.4. SEGMENTAR Y GENERAR GCODE A PARTIR DEL STL......................................... 69 6.4.1. G-CODE...................................................................................................... 69 6.5. IMPRIMIR Y RETIRAR LAS PIEZAS DE LA IMPRESIÓN........................................ 71 6.6. POSTPROCESADO.............................................................................................. 72 6.6.1. LIJADO....................................................................................................... 72 6.6.2. PULIDO...................................................................................................... 73 6.6.3. RECUBRIMIENTO DE EPOXI....................................................................... 73 6.6.4. SUAVIZADO CON ACETONA...................................................................... 74 6.6.5. IMPRIMACIÓN........................................................................................... 74 6.6.6. HIDROIMPRESIÓN..................................................................................... 75 6.6.7. UNIÓN....................................................................................................... 75 CAPÍTULO 7. PROBLEMAS Y DEFECTOS MÁS COMUNES EN LA IMPRESIÓN 3D........ 77 7.1. ATASCOS DEL EXTRUSOR.................................................................................. 77 7.1.1. DESATASCAR EL EXTRUSOR....................................................................... 79 7.2. AJUSTE Y NIVELADO DE LA CAMA..................................................................... 80 7.3. WARPING O PANDEO........................................................................................ 81 OPTIMIZACIÓN DE LOS PROCESOS DE IMPRESIÓN 3D ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES UNIVERSIDAD DE VALLADOLID 7.4. CRACKING O DELAMINACIÓN........................................................................... 83 7.5. LAYER SHIFT O DESPLAZAMIENTO DE CAPAS.................................................... 84 7.6. Z-WOBBLE O BAMBOLEO EN Z.......................................................................... 85 7.7. STRINGING O HILOS........................................................................................... 86 7.8. OVERHEATING, CURLING O SOBRECALENTAMIENTO....................................... 87 7.9. EL PIE DE ELEFANTE........................................................................................... 88 7.10. GHOSTING, RINGING O VIBRACIONES........................................................... 89 CAPÍTULO 8. MÉTODOS PARA MEJORAR LA IMPRESIÓN 3D...................................... 91 8.1. TEST DE TEMPERATURA.................................................................................... 91 8.1.1. CUÁNDO REALIZAR UN TEST DE TEMPERATURA...................................... 91 8.1.2. DEFECTOS QUE PUEDE PROVOCAR UN MAL AJUSTE DE LA TEMPERATURA DE EXTRUSIÓN........................................................................................................... 92 8.1.3. DETERMINAR LA TEMPERATURA DE EXTRUSIÓN..................................... 93 8.1.3.1. PRIMER PASO: MODELO DEL TEST.................................................... 93 8.1.3.2. SEGUNDO PASO: ESTABLECER LOS PARÁMETROS DE IMPRESIÓN... 95 8.1.3.3. TERCER PASO: MODIFICAR EL GCODE PARA QUE CAMBIE LA TEMPERATURA CON LA ALTURA........................................................................... 96 8.1.3.4. CUARTO PASO: IMPRESIÓN Y ELECCIÓN DE LA TEMPERATURA ÓPTIMA DE IMPRESIÓN....................................................................................... 100 8.2. CALIBRACIÓN DE PASOS DE LA IMPRESORA................................................... 101 8.2.1. RESTRICCIONES PARA REALIZAR LA CALIBRACIÓN.................................. 101 8.2.2. CUÁNDO REALIZAR CALIBRACIÓN DE PASOS.......................................... 102 8.2.3. ALGUNOS DEFECTOS QUE PUEDE PROVOCAR UNA MALA CALIBRACIÓN DE LOS MOTORES.................................................................................................... 102 8.2.4. DETERMINAR LOS PASOS DEL MOTOR.................................................... 104 8.2.4.1. PRIMER PASO: CONECTAR LA IMPRESORA AL ORDENADOR MEDIANTE PRONTERFACE................................................................................... 104 8.2.4.2. SEGUNDO PASO: OBTENER LOS PARÁMETROS DE IMPRESIÓN...... 105 8.2.4.3. TERCER PASO: CANTIDAD EXTRUIDA Y DISTANCIA RECORRIDA..... 106 8.2.4.4. CUARTO PASO: CALCULAR Y MODIFICAR LOS PASOS/MM............. 107 8.3. TEST FLUJO DE MATERIAL............................................................................... 108 8.3.1. CUÁNDO REALIZAR UN TEST DE FLUJO................................................... 108 8.3.2. DEFECTOS ORIGINADOS A UN MAL CALIBRADO DEL FLUJO................... 108 8.3.3. DETERMINAR EL FLUJO DE EXTRUSIÓN................................................... 110 8.3.3.1. PRIMER PASO: MODELO DEL TEST.................................................. 110 8.3.3.2. SEGUNDO PASO: PARÁMETROS DE IMPRESIÓN............................. 111 MARTÍN MORLANES, JUAN LUIS 8.3.3.3. TERCER PASO: IMPRESIÓN Y CÁLCULO DEL FLUJO......................... 111 8.4. TEST DE LINEAR ADVANCE.............................................................................. 112 8.4.1. CUÁNDO REALIZAR UN TEST DE LINEAR ADVANCE................................ 113 8.4.2. DEFECTOS QUE PUEDE PROVOCAR UNA MALA CALIBRACIÓN DE LINEAR ADVANCE................................................................................................................. 114 8.4.3. DETERMINAR PARÁMETRO DE LINEAR ADVANCE.................................. 115 8.4.3.1. PRIMER PASO: OBTENER EL GCODE................................................ 115 8.4.3.2. SEGUNDO PASO: IMPRESIÓN Y ELECCIÓN DEL FACTOR K.............. 118 8.4.3.3. TERCER PASO: AÑADIR EL FACTOR K A LA IMPRESIÓN................... 119 8.5. TEST DE EXPANSIÓN HORIZONTAL................................................................. 121 8.5.1. CUANDO REALIZAR UN TEST EXPANSIÓN HORIZONTAL......................... 122 8.5.2. DEFECTOS QUE PUEDE PROVOCAR UNA MALA CALIBRACIÓN DE LA EXPANSIÓN HORIZONTAL....................................................................................... 122 8.5.3. DETERMINAR EL VALOR DE EXPANSIÓN HORIZONTAL........................... 123 8.5.3.1. PRIMER PASO: MODELO DEL TEST.................................................. 123 8.5.3.2. SEGUNDO PASO: PARÁMETROS DE IMPRESIÓN............................. 124 8.5.3.3. TERCER PASO: IMPRESIÓN Y OBTENCIÓN DEL PARÁMETRO DE EXPANSIÓN HORIZONTAL................................................................................... 124 CAPÍTULO 9. MANTENIMIENTO DE LA IMPRESORA................................................. 127 9.1. CONSEJOS DE MANTENIMIENTO.................................................................... 127 9.2. DIARIO............................................................................................................. 127 9.3. SEMANAL........................................................................................................ 128 9.4. MENSUAL........................................................................................................ 128 9.5. TRIMESTRAL.................................................................................................... 128 CAPÍTULO 10. CONCLUSIONES................................................................................... 129 BIBLIOGRAFÍA.................................................................................................................. 131 ANEXO 1. COMANDOS G-CODE................................................................................... 135 A.1. COMANDOS GEOMETRICOS: G....................................................................... 135 A.2. COMANDOS MISCELÁNEOS: M....................................................................... 136 OPTIMIZACIÓN DE LOS PROCESOS DE IMPRESIÓN 3D ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES UNIVERSIDAD DE VALLADOLID ÍNDICE DE ILUSTRACIONES Ilustración 1 – Impresión 3D frente a mecanizado CNC..................................................... 8 Ilustración 2 – Proceso de fotopolimerización................................................................. 12 Ilustración 3 – Fotopolimerización................................................................................... 12 Ilustración 4 – Proceso de fusión de lecho de polvo........................................................ 14 Ilustración 5 – Fusión de lecho de polvo.......................................................................... 14 Ilustración 6 – Proceso de inyección de material............................................................. 16 Ilustración 7 – Laminación de hojas.................................................................................. 17 Ilustración 8 – Deposición directa de energía.................................................................. 18 Ilustración 9 – Componentes de una impresora 3D......................................................... 21 Ilustración 10 – Estructura de perfiles de aluminio.......................................................... 23 Ilustración 11 – Estructura de corte por láser.................................................................. 24 Ilustración 12 – Ultimaker 2+ y Extended+....................................................................... 24 Ilustración 13 – Cama de vidrio........................................................................................ 25 Ilustración 14 – Cama de metal magnética flexible.......................................................... 26 Ilustración 15 – Izquierda: Silicona. Derecha: PCB........................................................... 27 Ilustración 16 – Cama magnética flexible......................................................................... 28 Ilustración 17 – Componentes de un extrusor................................................................. 29 Ilustración 18 – Extrusor engranaje doble MK8............................................................... 30 Ilustración 19 – Extrusor engranaje simple MK8.............................................................. 30 Ilustración 20 – Tipos de alimentacion: Izquierda directa. Derecha bowden.................. 31 Ilustración 21 – Extrusor directo....................................................................................... 31 Ilustración 22 – Impresora tipo bowden Ender-3 Pro...................................................... 32 Ilustración 23 – Disipador y ventilador............................................................................. 33 Ilustración 24 – Barrel All metal Acero y Titanio.............................................................. 34 Ilustración 25 – Barrel PTFE y Bimetal.............................................................................. 35 Ilustración 26 – Cartucho calentador............................................................................... 36 Ilustración 27 – Bloque calefactor aluminio y bronce...................................................... 36 Ilustración 28 – Boquilla de latón y acero inoxidable....................................................... 37 Ilustración 29 – Boquilla de acero endurecido................................................................. 38 Ilustración 30 – Boquilla de punta de rubí........................................................................ 38 Ilustración 31 – Impresoras cartesianas........................................................................... 39 Ilustración 32 – Impresora CoreXY DIY............................................................................. 40 Ilustración 33 – Impresora Delta...................................................................................... 41 Ilustración 34 – Correa y polea GT2.................................................................................. 42 Ilustración 35 – Rodamientos y varillas............................................................................ 43 Ilustración 36 – Ejemplo PVA como soporte.................................................................... 54 Ilustración 38 – Exportar STL en Autodesk Inventor........................................................ 62 Ilustración 39 – Exportar STL opciones de exportación.................................................... 62 Ilustración 40 – Variedad de velocidades de impresión................................................... 65 Ilustración 41 – Alturas de capa........................................................................................ 66 Ilustración 42 – Forma del modelo Y H T.......................................................................... 67 Ilustración 43 – Fuerza y orientación................................................................................ 68 Ilustración 44 – Litofanía (mejor resolución en Z)............................................................ 68 MARTÍN MORLANES, JUAN LUIS Ilustración 45 – Generar GCode....................................................................................... 69 Ilustración 46 – Retirar la impresión de la cama.............................................................. 71 Ilustración 47 – Postprocesado por lijado........................................................................ 72 Ilustración 48 – Postprocesado por vibración con abrasivo............................................. 73 Ilustración 49 – Postprocesado por recubrimiento de epoxi........................................... 73 Ilustración 50 – Postprocesado con acetona.................................................................... 74 Ilustración 51 – Postprocesado con imprimación............................................................ 74 Ilustración 52 – Postprocesado por hidroimpresión........................................................ 75 Ilustración 53 – Postprocesado unión por soldadura....................................................... 75 Ilustración 54 – Atasco grave del extrusor....................................................................... 77 Ilustración 55 – Desatascar extrusor, introducir aguja en el nozzle................................. 79 Ilustración 56 – Altura cama extrusor: alta, correcta y baja............................................ 80 Ilustración 57 – Warping o pandeo.................................................................................. 81 Ilustración 58 – Brim o borde en Cura.............................................................................. 82 Ilustración 59 – Círculos de mejora de adherencia.......................................................... 82 Ilustración 60 – Cerramiento de impresora..................................................................... 82 Ilustración 61 – Cracking o delaminación......................................................................... 83 Ilustración 62 – Layer shift o desplazamiento de capas................................................... 84 Ilustración 63 – Z-wobble o bamboleo en z..................................................................... 85 Ilustración 64 – Modelo y ejemplo de stringing............................................................... 86 Ilustración 65 – Efectos del Sobrecalentamiento u Overheating..................................... 87 Ilustración 66 – Efectos del Sobrecalentamiento u Overheating..................................... 87 Ilustración 67 – Pie de elefante........................................................................................ 88 Ilustración 68 – Altura cama extrusor: alta, correcta y baja............................................ 88 Ilustración 69 – Ghosting o ringing................................................................................... 89 Ilustración 70 – Efectos de temperatura de extrusión baja. Cracking y Warping............ 92 Ilustración 71 – Efectos del Sobrecalentamiento u Overheating..................................... 92 Ilustración 72 – Test temperatura descargado de internet............................................. 94 Ilustración 73 – Test temperatura propio........................................................................ 94 Ilustración 74 – Modificar GCode Cura............................................................................ 96 Ilustración 75 – Complemento de posprocesamiento Cura............................................. 96 Ilustración 76 – Primer cambio de temperatura del modelo de internet........................ 98 Ilustración 77 – Último cambio de temperatura del modelo de internet........................ 99 Ilustración 78 – Icono de modificaciones en el GCode. Cura........................................... 99 Ilustración 79 – Motor paso a paso (Stepper)................................................................ 101 Ilustración 80 – Fallo por exceso de material................................................................. 102 Ilustración 81 – Fallo por falta de material.................................................................... 103 Ilustración 82 – Mala precisión dimensional.................................................................. 103 Ilustración 83 – Pronterface: Puerto y Baudios de conexión......................................... 104 Ilustración 84 – Administrador de dispositivos / Puertos (COM y LPT)......................... 105 Ilustración 85 – Fallo por flujo de extrusión alto............................................................ 109 Ilustración 86 – Fallo por flujo de extrusión bajo en pared fina.................................... 109 Ilustración 87 – Fallo por flujo de extrusión bajo en capa superior............................... 109 Ilustración 88 – Previsualización test flujo y parámetros de impresión......................... 110 Ilustración 89 – Flujo en función de la velocidad........................................................... 112 Ilustración 90 – Mala calibración avance lineal, defecto en las esquinas...................... 114 OPTIMIZACIÓN DE LOS PROCESOS DE IMPRESIÓN 3D ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES UNIVERSIDAD DE VALLADOLID Ilustración 91 – Aparición de ghosting con avance lineal desactivado.......................... 114 Ilustración 92 – Parámetros de la impresora Avance Lineal.......................................... 115 Ilustración 93 – Parámetros de la cama Avance Lineal.................................................. 116 Ilustración 94 – Parámetros de la velocidad Avance Lineal............................................ 116 Ilustración 95 – Parámetros del patrón Avance Lineal................................................... 117 Ilustración 96 – Parámetros avanzados Avance Lineal................................................... 117 Ilustración 97 – Modelo esquemático de Avance lineal................................................. 118 Ilustración 98 – Efectos de la velocidad de impresión en el flujo.................................. 119 Ilustración 99 – Ejemplo de GCode inicial y final en Cura.............................................. 120 Ilustración 100 – Expansión horizontal: excesiva, correcta, insuficiente....................... 122 Ilustración 101 – Ejemplo de modelo test expansión horizontal................................... 123 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1 – Velocidades de impresión................................................................................. 65 Tabla 2 – Efectos de variar la temperatura de extrusión.................................................. 66 Tabla 3 – Torre de temperatura. Variación de la temperatura con la altura................... 98 Tabla 4 – Dimensiones test de flujo................................................................................ 111 Tabla 5 – Ejemplos de coeficientes de dilatación térmica.............................................. 121 Tabla 6 – Ejemplos de Contracción de moldeo............................................................... 121 ÍNDICE DE ECUACIONES Ecuación 1 – Cálculo de pasos por milímetro................................................................. 107 Ecuación 2 – Cálculo del flujo de impresión................................................................... 112 Ecuación 3 – Cálculo de la expansión horizontal............................................................ 124 MARTÍN MORLANES, JUAN LUIS CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS En estos días la impresión 3D está en crecimiento y gracias a esta tecnología novedosa podemos obtener objetos muy personalizados de una manera relativamente rápida y muy económica, esta personalización suple el aumento de tiempo de fabricación pudiendo obtener objetos muy similares pero que se adapten completamente a cada usuario. Pero este proceso todavía requiere mucho conocimiento y para realizar impresiones perfectas en el primer intento requiere de una gran experiencia y conocimientos tanto de diseño, como de impresión y de la impresora a utilizar. El objetivo fundamental es evitar el proceso de prueba y error en la fabricación de los elementos personalizados. Para ello nos centraremos en conocer cómo debemos imprimir mediante los siguientes campos: Conocer las propiedades del material de impresión, cómo debemos imprimirlo y en qué casos es conveniente cada material. Conocer todos componentes de las impresoras y su relevancia en la impresión. Conocer los principales errores de impresión para poder evitarlos o solucionarlos rápidamente en caso de aparición. Caracterización de los materiales y parámetros de impresión para configurar y calibrar la impresora para realizar una impresión perfecta. Una vez que sigamos todos estos pasos, conseguiremos mejorar la calidad de nuestras impresiones y evitaremos tener que realizar varias impresiones hasta encontrar la impresión perfecta, reduciendo tanto los costes por el gasto de material, como el tiempo que perdemos en realizar todos esos intentos fallidos. OPTIMIZACIÓN DE LOS PROCESOS DE IMPRESIÓN 3D Página | 1 ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES UNIVERSIDAD DE VALLADOLID Página | 2 MARTÍN MORLANES, JUAN LUIS CAPÍTULO 2. INTRODUCCIÓN A LA IMPRESIÓN 3D CAPÍTULO 2. INTRODUCCIÓN A LA IMPRESIÓN 3D La tecnología de impresión 3D, conocida también como fabricación aditiva, podría considerarse emparentada con las tecnologías de mecanizado mediante control numérico, ya que, como ellas, utiliza un sistema informático para controlar los movimientos de una herramienta de trabajo, en un sistema de coordenadas X (anchura), Y (longitud) y Z (altura). Sin embargo, al contrario que estas, donde un torno o fresadora realiza incisiones (una tecnología sustractiva) o en una forja donde se deforma el material (siendo por tanto una tecnología de deformación), en el caso de la impresión 3D se realiza una superposición de capas sucesivas de material, en la que cada capa constituye una sección transversal del objeto a fabricar, siguiendo un patrón establecido en un archivo digital en formato STL, de forma similar a como lo haría, en dos dimensiones, una impresora de inyección de tinta. Una impresora 3D es un sistema capaz de realizar réplicas físicas de diseños 3D, de esta forma se crean piezas o reproducciones volumétricas a partir de un diseño hecho por ordenador u obtenido a partir de un escáner 3D. Tradicionalmente se venían utilizando para el prototipado de piezas o componentes con el fin de realizar pruebas de control y validez de nuevos diseños antes de su fabricación final. En la actualidad, se está extendiendo su uso en la fabricación de todo tipo de objetos, modelos para vaciado, piezas de estructuras complejas, prótesis e instrumental médico, realización de tiradas cortas en la fabricación de utillaje, elementos mecánicos o productos de consumo. Podemos definir las tecnologías de fabricación aditiva dentro de las siguientes familias: Fotopolimerización Fusión de lecho de polvo Inyección de aglutinante (Binder Jetting) Laminación de hojas Extrusión de material Deposición directa de energía (DED) OPTIMIZACIÓN DE LOS PROCESOS DE IMPRESIÓN 3D Página | 3 ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES UNIVERSIDAD DE VALLADOLID 2.1. BREVE HISTORIA DE LA IMPRESIÓN 3D En 1981, Hideo Kodama, del Instituto Municipal de Investigaciones Industriales de Nagoya, inventó dos métodos de fabricación aditiva de un modelo de plástico tridimensional a partir del uso de un polímero fotoendurecible en el que el área de exposición a los rayos UV era controlada por un patrón de máscara o transmisor de fibra de barrido. Tres años después, en 1984, Chuck Hull (3D Systems) en EEUU presenta la primera patente de un proceso de fabricación aditiva en el que se añadían capas mediante el curado de fotopolímeros con láseres de rayos ultravioleta, denominado como estereolitografía, y tan solo dos semanas después Alain Le Méhauté, Olivier de Witte y Jean Claude André presentaron su propia patente en Francia para un proceso muy similar finalmente denominado con el mismo nombre, aunque la aplicación de los inventores franceses fue abandonada por la compañía General Electric francesa aduciendo "falta de perspectiva empresarial". La principal contribución de Hull fue el diseño del formato de archivo STL ampliamente aceptado por el software de impresión 3D, así como las estrategias digitales de corte y relleno comunes a muchos procesos actuales. 2.1.1. HECHOS DESTACABLES EN LA IMPRESIÓN 3D 1987 - Car/ Deckard desarrolla el sistema de impresión de sinterización selectiva por láser (SLS) 1988 - Scott Crump inventa el modelado por deposición fundida (FDM) 1988 - Desarrollada finalmente a través la marca 3D Systems, la estereolitografía (SLA) de Chuck Hi/1 sale al mercado. 1989 - Se concede la patente del SLS. Scott Crump funda Stratasys Hans Langer funda EOS GmbH. 1990 - EOS vende su primer sistema de Stereos, una variante de la estereolitografía patentado por la marca. 1992 - Stratasys consigue la patente de su tecnología FDM 1996 - Z-Corporation (Adquirida posteriormente por 3D Systems) saca a la venta su tecnología 3DP, ahora conocida como Color Jet Printing. Página | 4 MARTÍN MORLANES, JUAN LUIS CAPÍTULO 2. INTRODUCCIÓN A LA IMPRESIÓN 3D 1999 - El Instituto de Medicina Regenerativa de la Universidad de Wake Forrest implanta en humanos los primeros órganos modificados por medio de implantes arteriales impresos en 3D y cubiertos con células del paciente. 2002 - El Instituto de Medicina Regenerativa de la Universidad de Wake Forrest imprime el primer órgano en 3D: un riñón completamente funcional. 2005 - El Dr. Adrian Bowyer funda Rep Rap una iniciativa open-source para crear una impresora 3D que pudiera imprimir sus propias piezas. 2006 - El proyecto Fab@Home, de la Universidad Comen presenta la primera impresora3D de código abierto (más tarde conocido como Open Source Hardware). 2007 - Sale a la venta el primer sistema SLA de impresión profesional por menos de 10.000€ con el modelo 1000 de 3D Systems. 2008 - Se desarrolla la primera prótesis de pierna impresa en 3D con tecnología SLS. 2009 - Sale al mercado la primera impresora 3D comercializada en forma de kit la cual se basa en la filosofía Rep-Rap. En ese momento, solo unos cientos de personas en todo el mundo se interesaron por esta nueva forma de construir impresoras que iba a revolucionar el sector. 2010 - La empresa Organovo (compañía de medicina regenerativa) se centra en la tecnología de bioimpresión anunciando la publicación de datos sobre los primeros vasos sanguíneos completamente impresos. 2011 - La Universidad de Southampton fabrica el primer avión no tripulado impreso en 3D. 2013 - Defense Distributed saca a la luz la primera pistola imprimible en 3D la Liberator, hito que convulsiona al sector de la impresión 3D centrando todos los medios de comunicación en las posibilidades y peligros del mismo. 2014 - Winsun Decoration Design Engineering Co. difunde su sistema Atlas de impresión 3D, capaz de construir casas. OPTIMIZACIÓN DE LOS PROCESOS DE IMPRESIÓN 3D Página | 5 ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES UNIVERSIDAD DE VALLADOLID 2.2. AVANCES EN LA INGENIERÍA La impresión 3D está teniendo mucho impacto en la ingeniería en la última década, veremos algunos de los avances más destacados que ha supuesto la impresión 3D en la ingeniería. Hoy en día es bastante habitual encontrar la impresión 3D como solución en algunas fases de producción y su mejora de rendimiento está creciendo a una buena velocidad por lo que este método se está extendiendo cada vez más rápido. Aunque la principal aplicación en ingeniería y diseño de la impresión 3D es el prototipado rápido que permite acortar los plazos, gracias a la capacidad de autosuficiencia que permite, la customización, la velocidad y flexibilidad del prototipado y de la asequibilidad de la producción de pequeñas producciones son las razones las cuales la impresión 3D se está adaptando a muchos procesos productivos sobre todo los relacionados con diseño e ingeniería. Por todo lo anterior la impresión 3D está ganando mucha popularidad y a medida que crece también aumenta su demanda de clientes, haciendo más atractiva la impresión 3D para ser acogida por nuevas empresas que aún no se han decidido a dar el paso. La proyección de estos en estos sectores todavía tiene mucho margen de mejora permitiendo que podamos encontrar muchas consultoras especializadas en impresión 3D que nos pueden guiar en los procesos de implantación y darnos servicios como: Identificación precisa de los mapas del flujo de valor. Inmersión profunda para entender las distintas metodologías posibles en un nuevo proyecto o producto. Análisis sobre aceleración y simplificación del desarrollo y ejecución de un proyecto. Detección y estudio de ventanas de oportunidades. Mejora de productos reduciendo al máximo la obsolescencia. Por todo esto, es un hecho que la ingeniería se está viendo impulsada e incluso revolucionada por la impresión 3D, principalmente debido a todo lo que la fabricación aditiva puede aportar. Página | 6 MARTÍN MORLANES, JUAN LUIS CAPÍTULO 2. INTRODUCCIÓN A LA IMPRESIÓN 3D 2.3. MEJORAS EN LA IMPRESIÓN 3D La impresión 3D está creciendo a una gran velocidad y está ganando mucha popularidad, esto es debido a que todavía no hemos obtenido el máximo rendimiento en su aplicación, Como podemos comprobar, en los últimos años sus avances han mejorado mucho este proceso: 250 materiales: tenemos una gran gamma de materiales para poder imprimir con diferentes colores, características. Dependiendo del método de impresión podemos encontrar muchos otros materiales como: metales, cerámica, vidrio, caucho, cuero, células madre e incluso chocolate y otros alimentos. 100 veces más rápido: Recientemente, los innovadores métodos de estereolitografía han logrado producir formas complejas a una velocidad hasta 100 veces superior a la de las impresoras 3D tradicionales. A partir de un lecho de resina líquida fotoreactiva, se ha descubierto que la aplicación de diferentes longitudes de onda de luz endurece selectivamente la resina a medida que se libera, logrando así una impresión continua, y eliminando la estratificación incremental. 90 % de eficiencia de material: la fabricación aditiva supone unos costes económicos y medioambientales prometedores, ya que elimina enormes cantidades de residuos como consecuencia de que los requisitos de materia prima se reducen hasta en un 90 %. Veamos ahora que mejoras podremos encontrarnos en la siguiente década gracias a la impresión 3D: Las velocidades de impresión en 3D aumentarán entre 50 y 100 veces. El MIT ha creado recientemente una impresora 3 veces más rápida que un sistema de escala industrial de 100.000 dólares. Se están construyendo barrios impresos en 3D sostenibles y asequibles, que son una alternativa barata y respetuosa con el medio ambiente. Filetes y hamburguesas impresas en 3D en restaurantes, gracias a la carne impresa usando proteínas vegetales. Las impresoras 3D de metal superarán a los plásticos, sobre todo gracias a la optimización de la estructura y su peso reducido, lo que es muy conveniente en aviación, automoción y en joyería. OPTIMIZACIÓN DE LOS PROCESOS DE IMPRESIÓN 3D Página | 7 ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES UNIVERSIDAD DE VALLADOLID 2.4. COMPARACIÓN CON EL MECANIZADO CNC Aunque el mecanizado y la impresión son procesos muy diferentes el objetivo que buscan es el mismo, hoy en día el proceso de mecanizado CNC está mucho más consolidado y está mucho más optimizado a la hora de fabricación de mayores cantidades. La gran diferencia entre los dos procesos consiste en que la impresión 3D obtiene los objetos mediante fabricación aditiva es decir añadiendo material, mientras que el mecanizado CNC lo realiza mediante la sustracción de material, por tanto, las pérdidas de material son mayores en este caso. Ilustración 1 – Impresión 3D frente a mecanizado CNC Veamos a grandes rasgos las características del mecanizado CNC frente a lo visto anteriormente de la impresión 3D: Obtención del modelo mediante sustracción del material. Lo que nos deja mayor cantidad de material como residuo, mientras que la impresión al ser por adicción de material el residuo es mínimo, optimizando mucho mejor los recursos. Resultado final más fiel al modelo. Aunque dependiendo de la impresora se pueden obtener acabados muy similares. Proceso más optimizado que permite producciones mayores. La impresión 3D es un proceso relativamente nuevo y las velocidades de fabricación todavía son muy reducidas. No tiene tantas limitaciones de tamaño como la impresión 3D. Página | 8 MARTÍN MORLANES, JUAN LUIS CAPÍTULO 2. INTRODUCCIÓN A LA IMPRESIÓN 3D Amplia variedad de materiales (plásticos ABS, nylon, PC, PMMA, PP, POM y PEEK hasta aluminio y otros metales como titanio, latón, acero inoxidable o aleación de magnesio. Complejidad de uso, no es apto para todos los usuarios El coste, es ligeramente superior al de la impresión 3D estándar, aunque todo depende de la calidad que busquemos en ambos casos y de las funcionalidades extras que implantemos. Vistas estas características podemos decir que la cantidad, el tamaño y el coste son los principales factores a sopesar para elegir un proceso de fabricación de cara a un proceso más industrial. En cuanto a nivel local y más personalizado el mecanizado CNC contaría con una mayor precisión y tolerancias, pero la diferencia puede llegar a ser mínima en algunos casos. Además, la impresión 3D permite la fabricación de piezas mucho más complejas y personalizadas. Por tanto, si necesitamos funcionalidad de material buscaremos el mecanizado CNC y si necesitamos obtener una pieza complicada y personalizada nos decantaremos por la impresión 3D. Debido a la cada vez más alta exigencia, se buscan formas de combinar ambos procesos. En este caso, unir la flexibilidad de la impresión 3D y la precisión del mecanizado CNC hace que el resultado final sea un producto de mayor calidad. En conclusión, ambos métodos son igual de competentes y válidos7 para obtener una pieza personalizada y solo nos decantaremos entre un método u otro en función de nuestras necesidades. Como en nuestro caso necesitaremos una alta personalización y un presupuesto reducido para un nivel usuario que no necesitamos una alta producción la impresión 3D es el más adecuado. OPTIMIZACIÓN DE LOS PROCESOS DE IMPRESIÓN 3D Página | 9 ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES UNIVERSIDAD DE VALLADOLID Página | 10 MARTÍN MORLANES, JUAN LUIS CAPÍTULO 3. IMPRESIÓN 3D POR FDM CAPÍTULO 3. IMPRESIÓN 3D POR FDM Esta tecnología, más conocida como FDM de las siglas en inglés Fused Deposition Modeling (también FFF Fused Filament Fabrication), fue desarrollada por S. Scott Crump a finales de 1980 y comercializada en 1990 por Stratasys (EE.UU.). Otro año clave para esta tecnología es 2005, cuando el profesor Adrian Browyer inició el proyecto RepRap, el movimiento mundial detrás de la auto-replicación de impresoras 3D de código abierto. 3.1. FUNCIONAMIENTO DE LA IMPRESIÓN 3D POR DEPOSICIÓN FUNDIDA Esta técnica es considerada a menudo el método existente más sencillo. La tecnología de modelado por deposición fundida o FDM se basa en 3 elementos principales: una placa/cama de impresión en la que se imprime la pieza, una bobina de filamento que sirve como material de impresión y una cabeza de extrusión también llamada extrusor. En resumen, el filamento es succionado y fundido por el extrusor de la impresora 3D, que deposita el material de forma precisa capa por capa sobre la cama de impresión. Quien dice «impresión 3D» dice «modelo 3D»: todo comienza con el diseño del objeto utilizando algún software CAD (como SolidWorks, TinkerCAD o Blender, por ejemplo). El archivo 3D resultante, en su mayoría en formato STL, se divide en varias capas utilizando un software denominado «slicer» (como Makerware, Cura o Repetier) en el que es posible seleccionar los distintos parámetros de la impresión. Una vez configurado todo, se puede iniciar. La impresión 3D comienza cuando la máquina alcanza una temperatura alrededor de los 200°C, necesaria para la fusión del material. Entre los materiales de impresión 3D más populares en la deposición por fusión se encuentran el PLA (ácido poliacético) y el ABS (Acrilonitrilo butadieno estireno). Una vez que se calienta la máquina, se extruye un filamento de material de 1,75 mm o 2,85 mm de diámetro sobre la plataforma a través de una boquilla que se mueve sobre 3 ejes X, Y e Z. La plataforma desciende un nivel con cada nueva capa aplicada, hasta que se imprime el objeto. Durante la impresión, se pueden utilizar soportes para mejorar la calidad de ciertos modelos. Su función es apoyar las partes sobresalientes del modelo 3D, ya que hay ciertos modelos que sin apoyo es muy difícil que consigan ser impresos. OPTIMIZACIÓN DE LOS PROCESOS DE IMPRESIÓN 3D Página | 11 ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES UNIVERSIDAD DE VALLADOLID 3.2. OTROS MÉTODOS DE IMPRESIÓN 3D 3.2.1. FOTOPOLIMERIZACIÓN La fotopolimerización es una de las primeras tecnologías para impresión que aparecieron. Su funcionamiento básico consiste en un fotopolímero que es endurecido por capas mediante la polimerización provocada por la acción de luz. Ilustración 2 – Proceso de fotopolimerización Encontramos 3 tipos de fotopolimerización: SLA (Stereolithography) o Estereolitografía, DLP (Digital Light Processing) o Fotopolimerización por Luz Ultravioleta, Fotopolimerización por absorción de fotones. Ilustración 3 – Fotopolimerización Página | 12 MARTÍN MORLANES, JUAN LUIS CAPÍTULO 3. IMPRESIÓN 3D POR FDM Estereolitografía (SLA o SL) La estereolitografía (SLA o SL), también conocida como fabricación óptica o foto-solidificación es una forma de tecnología de manufactura de impresión 3D utilizada para la producción de modelos, prototipos, patrones, o piezas definitivas. Es la técnica de prototipado y fabricación rápida más antigua. Fotopolimerización por Luz Ultravioleta (DLP) En la fotopolimerización por luz ultravioleta, un recipiente de polímero líquido es expuesto a la luz de un proyector DLP (similar a los proyectores de vídeo convencionales) bajo condiciones controladas. El polímero líquido expuesto endurece; la placa de montaje se mueve hacia abajo en incrementos pequeños y el polímero es expuesto de nuevo a la luz. El proceso se repite hasta que el modelo es construido. El polímero líquido restante es entonces extraído del recipiente, dejando únicamente el modelo sólido. Fotopolimerización por absorción de fotones Esta técnica de microfabricación 3D permite obtener modelos altamente precisos en escalas muy reducidas. Para ello, el objeto 3D deseado es trazado en un bloque de gel con un láser, posteriormente el gel es curado y se solidifica sólo en los lugares en donde el láser había incidido, esto se consigue debido a la no linealidad óptica de la fotoexcitación; después del proceso de láser, el gel restante es lavado. Esta técnica ofrece tamaños de menos de 100 nm siendo fácilmente fabricables tanto en estructuras complejas de partes móviles como en fijas. El uso más común de esta tecnología se debe a fines de investigación con nanopartículas, por lo que no supone una herramienta de fabricación común en industrias comunes OPTIMIZACIÓN DE LOS PROCESOS DE IMPRESIÓN 3D Página | 13 ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES UNIVERSIDAD DE VALLADOLID 3.2.2. FUSIÓN DE LECHO DE POLVO La tecnología de impresión 3D de Fusión de lecho de polvo (Powder Bed Fusion) consiste básicamente en una capa de polvo (del material con el que se desea construir) al cual se le aplica una fuente de energía térmica que funde con la forma programada capa a capa hasta formar el objeto deseado. Existen 5 procesos que usan la tecnología de fusión de lecho de polvo. Ilustración 4 – Proceso de fusión de lecho de polvo Ilustración 5 – Fusión de lecho de polvo Fusión por haz de etectrones (EBM) La fusión de haz por electrones (Electron Beam Melting o EBM) es una forma de fabricación aditiva que se clasifica como una técnica de fusión de cama de potencia que originalmente fue desarrollada y patentada por Arcam AB. La fusión por haz de electrones, para imprimir metal, utiliza un rayo de electrones como fuente de energía en lugar de un láser. El rayo de electrones funde el polvo de metal capa por capa en un alto vacío (para evitar porosidades y defectos logrando una fusión completa del polvo. Página | 14 MARTÍN MORLANES, JUAN LUIS CAPÍTULO 3. IMPRESIÓN 3D POR FDM Sinterizado selectivo por láser (SLS) El sinterizado selectivo por láser (en inglés, Selective laser sintering, o SLS) es una técnica de adición de prototipado rápido en el cual se deposita una capa de polvo, de unas décimas de milímetro, en una cuba que se ha calentado a una temperatura ligeramente inferior al punto de fusión del polvo. Seguidamente un láser C02 sinteriza el polvo en los puntos seleccionados (causando que las partículas se fusionen y solidifiquen). Es un proceso continuo de gran flexibilidad que permite la conversión de una gran variedad de materiales. Por ejemplo, finos de mineral de hierro, polvos recolectados en filtros y otros materiales que contienen hierro, etc. Se utiliza para pequeños volúmenes de piezas que requieran ser funcionales. Fusión selectiva por láser (SLM) La fusión selectiva por láser es un proceso de fabricación aditiva donde, al igual que en todos los procesos de fusión de lecho de polvo, se crean piezas metálicas tridimensionales mediante la fusión de polvos metálicos finos juntos. En el caso del SLM, la energía la proporciona un haz de láser de alta potencia, generalmente de iterbio. Aunque la norma ASTM F42 lo cataloga dentro de la categoría de "sinterización por láser", no parece apropiado catalogarlo así, ya que el proceso SLM "licua" completamente el metal en una masa homogénea, a diferencia de la sinterización selectiva por láser (SLS) o la sinterización de metal directa por láser (DMLS), que son verdaderos procesos de sinterización. Un proceso que sí es similar es el anteriormente visto de fusión de haz de electrones (EBM), aunque utiliza un haz de electrones como fuente de energía en lugar del láser de alta potencia. OPTIMIZACIÓN DE LOS PROCESOS DE IMPRESIÓN 3D Página | 15 ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES UNIVERSIDAD DE VALLADOLID 3.2.3. INYECCIÓN DE MATERIAL La Inyección de material o Material Jetting es la tecnología de impresión 3D o fabricación aditiva más parecida a la impresión de una impresora de inyección de tinta clásica. La marca 3D Systems es propietaria de la tecnología MJM (MultiJet Modeling), y la marca Stratasys comercializa Polyjet. Consisten en un cabezal de impresión que se mueve inyectando un fotopolímero (material plástico reactivo a la luz), en lugar de tinta como en las impresoras tradicionales. Luces UV rodean el cabezal de impresión para endurecer el material después de ser inyectado. Las impresoras que utilizan esta tecnología son capaces de imprimir con múltiples materiales en un solo trabajo. Los materiales pueden ser posicionados selectivamente en el modelo. Ilustración 6 – Proceso de inyección de material Modelado de Inyección Múltiple (MJM) Esta tecnología consiste en un cabezal de impresión que se mueve inyectando un fotopolímero y un material de soporte (cera). Una luz UV en el cabezal permite endurecer el material después de ser inyectado. Repitiendo este proceso, se imprime el objeto capa a capa. Página | 16 MARTÍN MORLANES, JUAN LUIS CAPÍTULO 3. IMPRESIÓN 3D POR FDM 3.2.4. LAMINACIÓN DE HOJAS La Laminación de hojas o Sheet lamination es una tecnología de impresión 3D o fabricación aditiva que no necesita de altas temperaturas ni de cámaras de vacío para su funcionamiento. La tecnología consiste en ir colocando finas láminas de material (papel, plástico o incluso metal) que posteriormente son recortadas con la forma de la pieza por una fresadora o un láser de CO2. Existen dos procesos que usan esta tecnología: LOM (Laminated Object Manufacturing) y UC (Ultrasonic Consolidation). Ilustración 7 – Laminación de hojas Consolidación por ultrasonidos (UC) Creada en 1999 por la empresa norteamericana Solidica, la consolidación ultrasónica (UC) es una técnica de fabricación aditiva basada en la soldadura ultrasónica de láminas metálicas. Esta técnica usa vibraciones ultrasónicas (típicamente 20.000 hz) que se aplican a las láminas de materiales metálicos -unidos bajo presión- para crear una soldadura de estado sólido. Una fresadora CNC realiza el contorno para crear la forma necesaria para cada capa. Fabricación mediante laminado de objetos La tecnología de fabricación mediante laminado de objetos (LOM) es un proceso de fabricación aditiva desarrollado por la empresa Cubic Technologies. A diferencia de la consolidación ultrasónica, las capas de papel recubierto con adhesivo, plástico o (menos frecuentemente) laminados metálicos son pegados y recortados con su forma definitiva con una cuchilla o láser cortador. Un rodillo caliente pasa sobre la hoja de material en la plataforma de construcción para fusionar el adhesivo aplicado y presionar las láminas sobre la plataforma. Un láser controlado por ordenador o una cuchilla, cortan posteriormente el material con la forma deseada. OPTIMIZACIÓN DE LOS PROCESOS DE IMPRESIÓN 3D Página | 17 ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES UNIVERSIDAD DE VALLADOLID 3.2.5. DEPOSICIÓN DIRECTA DE ENERGÍA A diferencia de todas las demás tecnologías estudiadas, en la deposición directa de energía el material con el que se va a fabricar nuestro objeto o pieza puede estar en una cuba, en un rollo o esparcido sobre una plataforma: se agrega o se inyecta justo sobre la fuente de energía (láser) que lo va construir. Los siguientes procesos utilizan esta tecnología: LMD (Laser Metal Deposition), DMD (Direct Metal Deposition) y LENS (Laser Engineered Net Shaping). Ilustración 8 – Deposición directa de energía Deposición directa de metal (DMD) La deposición directa de metal es una tecnología de fabricación aditiva que utiliza láser para fundir polvo de metal. A diferencia de la mayoría de tecnologías parecidas, no trabaja sobre una cama de polvo depositada, sino que utiliza una boquilla de alimentación para propulsar el polvo bajo el haz de láser. Página | 18 MARTÍN MORLANES, JUAN LUIS CAPÍTULO 3. IMPRESIÓN 3D POR FDM Laser Cladding El "laser cladding" es una novedosa técnica de aporte de material que consiste en la deposición de material con el objetivo de crear capas funcionales, mejorar las características de la pieza tratada o restaurarla. Mediante la interacción de la energía del haz láser en la superficie del sustrato, se produce la fusión de una cama de polvo pre-depositado, del hilo de alimentación o de polvo arrastrado por una corriente de gas, obteniendo una dilución mínima. Se funde solamente una pequeña capa del sustrato, y se consiguen deposiciones de entre S0µm y 2mm de altura, conservando las propiedades originales del material de aporte. La necesidad del láser cladding surge de aplicaciones que requieren superficies duras y resistentes al desgaste o a la corrosión en unas zonas concretas, pero con unas características de mayor ductilidad en el resto de la pieza. Ello se obtiene aportando una capa de material a un sustrato, que le confiere al material base sobre el que se deposita las características requeridas. El láser cladding permite dar solución a los problemas de porosidad, distorsión térmica de la pieza tratada o dificultades en el procesado de zonas muy localizadas que suelen aparecen con otras técnicas de tratamiento superficial con aporte de material. OPTIMIZACIÓN DE LOS PROCESOS DE IMPRESIÓN 3D Página | 19 ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES UNIVERSIDAD DE VALLADOLID Página | 20 MARTÍN MORLANES, JUAN LUIS CAPÍTULO 4. COMPONENTES DE UNA IMPRESORA 3D FDM Y SU INFLUENCIA CAPÍTULO 4. COMPONENTES DE UNA IMPRESORA 3D FDM Y SU INFLUENCIA Podemos clasificar los diferentes componentes de una impresora 3D de la siguiente manera: ESTRUCTURA: es el esqueleto de la impresora, determinará la rigidez y las vibraciones de la impresora. Tiene una gran influencia en el coste de la impresora ya que cuanto mejor construida esté, mayor precisión y rigidez tendrá la impresora. Incluiremos en este apartado la cama. EXTRUSIÓN: engloba todos los elementos encargados de controlar el flujo de material durante la extrusión y determinará en la mayor medida la calidad de las impresiones. Distinguiremos entre fusor, extrusor y alimentador. MECÁNICA: engloba todos los elementos que se encargan del buen movimiento de la impresora, como son los ejes, motores, raíles, etc. Con todos estos elementos controlados podemos mejorar notablemente los resultados en la impresión 3D. Ilustración 9 – Componentes de una impresora 3D OPTIMIZACIÓN DE LOS PROCESOS DE IMPRESIÓN 3D Página | 21 ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES UNIVERSIDAD DE VALLADOLID 4.1. ESTRUCTURA Es uno de los componentes más relevantes en cuanto hablamos del coste de la impresora y por tanto tiene también una relación equiparable con la calidad de la impresión, por ello es un elemento del que su conocimiento es esencial ya que una mala estructura puede derivar en los defectos que veremos en el siguiente punto. 4.1.1. DEFECTOS DE UNA ESTRUCTURA DÉBIL Los principales defectos e inconvenientes de disponer de una estructura inadecuada o débil son muy difíciles de solucionar ya que básicamente es el esqueleto de la impresora, por ello la gran importancia de estar bien dimensionada. A continuación, veremos los inconvenientes más comunes que se derivan de una estructura débil: Bamboleaos y vibraciones que provocan una mala impresión, además estos defectos aumentan con la velocidad de impresión por lo que nos limitará la velocidad. Muchas veces para poder evitar esta situación debemos intentar aligerar en la medida de lo posible los elementos en movimiento para disminuir estas oscilaciones, incluso en las impresoras que tienen la bobina soportada en la estructura, aunque esta sea suficientemente rígida siempre es recomendable eliminar este peso y colocar un soporte de bobina independiente. Mal ajuste de la base o cama puede provocar una mala impresión de la primera capa o incluso dañar la base y producir atascos por el choque del fusor con la cama. Si la estructura es débil, la impresora no podrá utilizar extrusores directos, lo que implica menor control de la impresión y será muy complicado imprimir ciertos materiales como son los flexibles. Página | 22 MARTÍN MORLANES, JUAN LUIS CAPÍTULO 4. COMPONENTES DE UNA IMPRESORA 3D FDM Y SU INFLUENCIA 4.1.2. TIPOS DE ESTRUCTURAS A continuación, veremos las estructuras más utilizadas hoy en día, las mencionaremos de mayor a menor popularidad y además son inversamente proporcionales al coste. PERFILES DE ALUMINIO: Los perfiles de aluminio es la manera más común de construir la estructura de las impresoras debido a su coste reducido para la rigidez que ofrece. Esto es debido a que hoy en día el mecanizado de estos perfiles es muy preciso y permite dar muchas variaciones a las impresoras. En este tipo de estructuras debido a las vibraciones, las juntas y uniones al ser por tornillería se suelen aflojar ligeramente, por lo que aumentarían las vibraciones, por lo que tenemos que revisar las uniones de vez en cuando. Ilustración 10 – Estructura de perfiles de aluminio CORTE POR LÁSER: Estas estructuras se han vuelto más comunes en los últimos años ya que, aunque no den una rigidez mayor a los perfiles de aluminio, nos proporcionan una gran precisión estructural ya que el corte por láser es mucho más preciso y aligeran notablemente la impresora, lo que mejorará los resultados. OPTIMIZACIÓN DE LOS PROCESOS DE IMPRESIÓN 3D Página | 23 ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES UNIVERSIDAD DE VALLADOLID Ilustración 11 – Estructura de corte por láser HÍBRIDAS: Aquí englobamos las estructuras más costosas ya que engloban ambos casos en los que tienen un chasis diseñado por corte láser, por inyección de plástico o chapa doblada, aunando las ventajas de los dos casos anteriores y que son característicos de las impresoras de gama alta, mejorando ligeramente la rigidez y permitiendo una mejor estética de impresora. Ilustración 12 – Ultimaker 2+ y Extended+ Página | 24 MARTÍN MORLANES, JUAN LUIS CAPÍTULO 4. COMPONENTES DE UNA IMPRESORA 3D FDM Y SU INFLUENCIA 4.1.3. BASE O CAMA Existen varios tipos de camas de impresión, en este caso afectan mucho a la integridad estructural ya que el peso de la cama afecta mucho a las vibraciones y bamboleos de la estructura, por lo que podemos distinguir dos tipos camas o bases en función del material y sobre todo el peso que añaden. 4.1.3.1. CAMA DE VIDRIO Las camas de vidrio están compuestas de borosilicato y son muy comúnmente utilizadas. Básicamente no necesitan mucha explicación ya que únicamente es un vidrio sujeto a la estructura de la cama. Ilustración 13 – Cama de vidrio Se podrían definir mejor indicando sus ventajas: El vidrio es más plano que cualquier base que podamos encontrar, las camas de metal, aunque puedan ser muy planas siempre encontraremos discrepancias al comparar las cuatro esquinas y pueden llegar a doblarse. En cambio, el vidrio siempre permanecerá liso y plano. Facilidad en la limpieza, es bastante más sencillo limpiar un cristal. Además, nos facilita el uso de alcohol para eliminar la laca, y podemos utilizar rasquetas ya que es más complicado rayar el cristal. Mejor acabado superficial en la zona de contacto con la base. Facilidad de extracción de las piezas, ya que después del enfriamiento de la cama o de la propia pieza, la dilatación o contracción ayuda a despegar la pieza. Hoy en día no podemos considerar esto realmente como ventaja ya que las camas de metal hoy en día utilizan láminas flexibles que facilitan la extracción. OPTIMIZACIÓN DE LOS PROCESOS DE IMPRESIÓN 3D Página | 25 ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES UNIVERSIDAD DE VALLADOLID En el caso de los inconvenientes podemos decir que son las ventajas de las camas de metal: Elevado peso del vidrio frente al metal, esto puede derivar en mayores bamboleos o incluso ghosting en nuestras piezas, además tener menor peso nos permite llegar a velocidades de impresión mayores. No se recomienda el uso de camas flexibles, ya que perderíamos todas las ventajas de las camas de cristal únicamente para poder facilitar la extracción de pieza, además que se pierde parte de la uniformidad y temperatura de la cama caliente. 4.1.3.2. CAMA DE METAL En este caso la cama de metal no tiene tantas ventajas en el caso de la impresión, pero podemos mejorar en los siguientes campos frente al vidrio: Disminución del peso de las partes móviles de la impresora, lo que implica que podremos alcanzar velocidades de impresión mayores antes de que se muestren problemas como bamboleos o ghosting. Nos permite utilizar camas flexibles magnéticas sin perder calidad de impresión. El inconveniente más grande de estas camas: Puede presentar problemas en la calibración de la cama ya que normalmente no son completamente planas, lo que puede derivar en problemas de adherencia como el warping. Ilustración 14 – Cama de metal magnética flexible Página | 26 MARTÍN MORLANES, JUAN LUIS CAPÍTULO 4. COMPONENTES DE UNA IMPRESORA 3D FDM Y SU INFLUENCIA 4.1.3.3. OTROS AÑADIDOS 4.1.3.3.1. CAMA CALIENTE La cama caliente o heatbed lo que nos permite es imprimir sobre una superficie caliente a una temperatura constante mediante una resistencia eléctrica basada en el principio de Joule. Gracias a la cama caliente podemos obtener las siguientes ventajas: Disminuir la velocidad de enfriamiento de la pieza para evitar problemas como el warping o craking, ya que la dilatación se realiza más lentamente permitiendo estabilizarse sin deformar la pieza. Mejorar la adherencia sobre la cama, el filamento fundido se adhiere mejor sobre la superficie caliente y además si utilizamos lacas, estas se convierten en un potente pegamento si se caliente por encima de los 50º C. Esto también evita la aparición de warping. Vistas estas ventajas podemos utilizar la cama caliente para imprimir cualquier material, aunque hay materiales como el PLA en el que no es muy necesario, en cambio será obligatoria para imprimir ABS, ASA, PETG o flexible. En cuanto a los tipos, normalmente podemos encontrar dos: Camas de silicona: están formadas por una resistencia de hilo de nicron unido a una placa de aluminio sobre la cual se coloca el cristal de la base de impresión. Estas camas se pueden fabricar a medida, son más seguras y además podemos obtener temperaturas mayores a 110º C, con lo que la velocidad de calentamiento es mayor. Camas PCB: compuestas por placas de baquelita o aluminio que en su interior tienen un circuito de material conductor. En este caso destacan por su menor precio, pero no podremos superar los 110º C y debemos atender más su mantenimiento ya que se ensucian con más facilidad. Solo se suelen utilizar para impresoras pequeñas de menos de 250mm. Ilustración 15 – Izquierda: Silicona. Derecha: PCB OPTIMIZACIÓN DE LOS PROCESOS DE IMPRESIÓN 3D Página | 27 ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES UNIVERSIDAD DE VALLADOLID 4.1.3.3.2. CAMA FLEXIBLE MAGNETICA En el caso de la cama flexible perdemos la ventaja frente al vidrio o cristal de la planitud que nos proporciona, y a cambio disminuimos el peso de la cama en unos 250 gramos lo que mejorará el bamboleo y vibraciones, por ello podemos aumentar la velocidad de impresión. Y el añadido de que sea flexible y magnética es para poder extraer la superficie de impresión y poder doblarla para despegar fácilmente la pieza impresa incluso si imprimimos con laca. Estas camas están compuestas por una base normalmente de aluminio a la que también se uniría la resistencia de la cama caliente, sobre esta base de aluminio se colocaría la lámina imantada, y la superficie flexible está formada por una lámina de acero inoxidable templada (industrialmente suele denominarse como fleje) que le permite ser flexible y volver a su forma original, en todo caso aunque se puede imprimir directamente sobre esta lámina de acero, no es lo más recomendable, para mejorar esto se adhiere una superficie de impresión que nos da una ligera rugosidad que están preparadas para mejorar la adherencia. Últimamente, debido a lo bien fabricadas que están este tipo de camas están prevaleciendo sus ventajas frente a las camas de vidrio ya que se busca mucho reducir el peso de las partes móviles y las camas flexibles dan muy buenos resultados. Lo que nunca deberemos hacer es añadir una cama flexible magnética sobre un vidrio ya que aumentaremos más el peso solo para ganar en facilidad de extraer la pieza. Ilustración 16 – Cama magnética flexible Página | 28 MARTÍN MORLANES, JUAN LUIS CAPÍTULO 4. COMPONENTES DE UNA IMPRESORA 3D FDM Y SU INFLUENCIA 4.2. EXTRUSIÓN En este apartado veremos los componentes del extrusor que se encargan de mover el filamento, calentarlo y extruirlo por el nozzle, estos componentes los podemos dividir en tres zonas en función de: Zona de alimentación: motor y rueda dentada. Zona de enfriamiento del extrusor: ventilador, disipador y barrel o barrera térmica. Zona de calentamiento del extrusor o fusor: bloque calentador, boquilla o nozzle y ventilador de capa. Ilustración 17 – Componentes de un extrusor Existen diferentes tipos de extrusores para impresoras 3D e incluso hay algunas que pueden trabajar con doble extrusor o más. 4.2.1. ZONA DE ALIMENTACIÓN La zona de alimentación está compuesta por el conjunto de piezas que transmiten el movimiento del motor al filamento, empujándolo hacia el fusor. Normalmente los componentes que vienen por defecto en la impresora suelen ser suficientes para una impresión normal, pero podemos tener algunos problemas para imprimir ciertos filamentos dependiendo del motor y del tipo de alimentación como veremos a continuación. OPTIMIZACIÓN DE LOS PROCESOS DE IMPRESIÓN 3D Página | 29 ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES UNIVERSIDAD DE VALLADOLID 4.2.1.1. ENGRANAJE Y MOTOR DE EMPUJE Son los encargados de transmitir la fuerza al filamento para entrar en el extrusor, por tanto, son los responsables de la homogeneidad del flujo de impresión afectando directamente a la calidad de la pieza. Normalmente se utilizan motores nema 17, con un engranaje multiplicador de 3 a 1 para no sobrecargar el motor y que se caliente demasiado. En cuanto a las configuraciones que existen, podemos diferenciar dos: Engranajes dobles: la fuerza se transmite al filamento por ambos lados evitando que este patine y mejorando el flujo. Esta configuración aumenta el peso del alimentador y por ello no se suelen ver en extrusión directa (aunque para imprimir filamento flexible mejoran mucho el flujo), pero son muy recomendables para extrusión tipo bowden ya que necesitamos un mejor control de la fuerza de empuje. Ilustración 18 – Extrusor engranaje doble MK8 Engranaje simple: en este caso la fuerza se realiza desde un solo lateral y por tanto es menos consistente, pero el alimentador disminuye su peso y por ello predominan en extrusión directa. Ilustración 19 – Extrusor engranaje simple MK8 También se podría diferenciar en función del tipo de material del engranaje y el tipo de dientes, pero normalmente no tienen una gran repercusión. Página | 30 MARTÍN MORLANES, JUAN LUIS CAPÍTULO 4. COMPONENTES DE UNA IMPRESORA 3D FDM Y SU INFLUENCIA 4.2.1.2. TIPO DE ALIMENTACIÓN Básicamente existen dos tipos de alimentación en impresión 3D: directa o indirecta. Veremos a continuación sus ventajas en ambos casos. Ilustración 20 – Tipos de alimentacion: Izquierda directa. Derecha bowden 4.2.1.2.1. DIRECTA Los extrusores directos se caracterizan porque sus partes están en un mismo bloque y por ello son más compactos, pasando el filamento directamente desde el alimentador hasta el fusor. Las ventajas de estos extrusores: Pueden imprimir cualquier tipo de filamento, es la configuración adecuada para imprimir filamento flexible o de material abrasivo. Retracciones más cortas que conllevan menor posibilidad de atasco. En cuanto a las desventajas: Mayor inercia debido al aumento de masa, reduciendo la velocidad máxima a la que podemos imprimir sin perder calidad. Aumento de la temperatura del motor, debido a que el motor está más cerca de la zona caliente, sobre todo en impresoras cerradas. Ilustración 21 – Extrusor directo OPTIMIZACIÓN DE LOS PROCESOS DE IMPRESIÓN 3D Página | 31 ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES UNIVERSIDAD DE VALLADOLID 4.2.1.2.2. BOWDEN En este caso la zona de alimentación y el fusor están deslocalizados y se guía el filamento mediante un tubo de teflón. Debido a esto necesitaremos mayor potencia en el motor de alimentación para poder mantener un flujo constante, por ello se suele utilizar motores de doble engranaje. Las principales ventajas son: Bajas inercias del desplazamiento del hotend. Lo que permite realizar impresiones más rápidas sin perder calidad y mejorando la precisión. Mayor fuerza transmitida al filamento gracias al doble engranaje y que permite tener motores más grandes. En cuanto a las desventajas: Dificultad para imprimir filamentos flexibles ya que no podemos mantener la presión en el fusor. Aumento de las retracciones, aumentando las posibilidades de provocar atascos. Ilustración 22 – Impresora tipo bowden Ender-3 Pro Página | 32 MARTÍN MORLANES, JUAN LUIS CAPÍTULO 4. COMPONENTES DE UNA IMPRESORA 3D FDM Y SU INFLUENCIA 4.2.2. ZONA ENFRIAMIENTO DEL EXTRUSOR Incluye todos los elementos encargados de mantener fría la zona de alimentación y que el filamento no se caliente en la zona inadecuada. 4.2.2.1. DISIPADOR Y VENTILADOR Tanto el disipador y ventilador son un refuerzo para la barrera térmica y evitan que tanto el filamento como el motor de alimentación se calienten en la zona de alimentación y en la zona fría, pueden tener diferentes formas, pero su funcionamiento básico es idéntico. Un mal diseño del disipador puede provocar que el filamento funda antes de llegar a la zona caliente lo que degenerará en atascos en el extrusor. Ilustración 23 – Disipador y ventilador 4.2.2.2. BARREL, GARGANTA O BARRERA TÉRMICA Esta pieza se caracteriza por ser la zona de transición entre la zona fría del extrusor y la zona caliente, por ello se va a realizar un choque térmico en la pieza y debe ser capaz de que el calor no pase a la zona de alimentación del extrusor ya que esto podría provocar atascos ya que se dilataría el material en una zona que no está pensada para ello. Por todo esto, esta pequeña pieza tiene una gran importancia en la homogeneidad de la impresión y además nos va a definir los materiales que vamos a poder imprimir con nuestra impresora. En todos los casos que veremos más adelante, siempre debemos asegurarnos que los barrels de metal su interior debe estar electro-pulidos para mejorar el paso del filamento y evitar atascos. OPTIMIZACIÓN DE LOS PROCESOS DE IMPRESIÓN 3D Página | 33 ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES UNIVERSIDAD DE VALLADOLID Normalmente los barrels que encontraremos más habitualmente son los siguientes: ALL METAL ACERO: Es el barrel más común, debido a la calidad y precio se comenzó a utilizar antes de volverse más común trabajar con PLA y se usaba sobre todo para imprimir ABS que es para el cual fue diseñado, aunque con él se puede imprimir casi cualquier tipo de material ya que al ser de metal completamente, no se degradan. Es importante que en cualquier caso el interior sea electro-pulido. Es importante que siempre nos aseguremos que los barrels de metal su interior esté electro-pulido para mejorar el paso del filamento y evitar atascos. Se recomienda para imprimir PET, ASA y ABS (para el cual fue diseñado) o para impresiones a alta temperatura. En estos casos no debemos preocuparnos de las retracciones. En otros casos las retracciones deben ser cortas (máximo de 2 mm para extrusor directo) ya que si el filamento caliente sube demasiado puede enfriarse y dilatarse en la parte inadecuada del barrel provocando atascos, además el PLA caliente se adhiere ligeramente al metal. ALL METAL TITANIO: Mismos problemas que con el acero, pero están pensados para realizar impresiones a mayores temperaturas y sobre todo para solucionar problemas comunes de goteos que normalmente van asociados a las altas temperaturas. Ilustración 24 – Barrel All metal Acero y Titanio Página | 34 MARTÍN MORLANES, JUAN LUIS CAPÍTULO 4. COMPONENTES DE UNA IMPRESORA 3D FDM Y SU INFLUENCIA GUIADO TUBO PTFE: Consiste en una rosca de metal de 4mm con un tubo de PTFE, normalmente se recomienda que lleve tubo de teflón Capricorn de 1.9 a 4 mm que tiene la pared un poco más gruesa que los estándares. Se recomienda para cualquier tipo de material, siempre que la temperatura no exceda los 250º C, ya que a esta temperatura el tubo de teflón se degrada por encima de esta temperatura y comenzara a provocar atascos o irregularidades en la impresión. Normalmente es muy utilizado para PLA y filamento flexible ya que estos casos funcionan muy bien y mejora mucho la calidad de la impresión. Como inconvenientes hay que resaltar que requiere más mantenimiento ya que el teflón se irá degradando con cada impresión, aunque no alcancemos los 250º C, por lo que se recomienda cambiarlo cada 200 impresiones aproximadamente. Además, requiere un montaje preciso ya que no podemos dejar espacio entre el teflón y el nozzle o fusor ya que ese espacio se llenará de filamento caliente provocando atascos. BIMETAL ACERO INOX Y COBRE: Recubierto con la rosca de cobre, mejora el enfriamiento, y no le da tiempo a dilatarse debido al mejor choque térmico que se genera en la punta y al no dilatarse antes de tiempo evita los atascos. El precio no es barato en comparación con el All metal, pero suele compensar por evitar problemas de atascos. Ilustración 25 – Barrel PTFE y Bimetal OPTIMIZACIÓN DE LOS PROCESOS DE IMPRESIÓN 3D Página | 35 ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES UNIVERSIDAD DE VALLADOLID 4.2.3. ZONA CALENTAMIENTO DEL EXTRUSOR O FUSOR En esta zona incluiremos todas las partes que intervienen en el calentamiento y manipulación del filamento fundido. 4.2.3.1. BLOQUE CALENTADOR Está formado por un cartucho calentador y un bloque calefactor. El cartucho calentador está formado por un hilo de nicrom o resistencia que calienta el bloque calefactor. Ilustración 26 – Cartucho calentador El bloque calefactor se encarga de distribuir y mantener la temperatura del fusor constante, normalmente podemos encontrar dos tipos de bloques calefactor: ALUMINIO: tienen una mejor conducción térmica y suelen ser suficientes para impresiones normales. BRONCE O LATÓN: dispone de mayor inercia térmica debido a que tiene mayor peso, ya que pesa cuatro veces más que en el caso del aluminio. Este bloque se suele utilizar para impresiones con un flujo muy alto, ya sea por una velocidad muy alta o por una boquilla más ancha. Ilustración 27 – Bloque calefactor aluminio y bronce Página | 36 MARTÍN MORLANES, JUAN LUIS CAPÍTULO 4. COMPONENTES DE UNA IMPRESORA 3D FDM Y SU INFLUENCIA 4.2.3.2. NOZZLE O BOQUILLA La boquilla es el último elemento por el que pasa el filamento fundido antes de depositarlo sobre la cama de impresión, de su calidad deriva la precisión de la impresión. Podemos encontrar diversos tipos de boquillas en función del diámetro de la boquilla y el material con el que se realiza. Al igual que el barrel si cambiamos el nozzle debemos tener en cuenta que el interior debe estar electro-pulido para mejorar el flujo. En cuanto al tamaño de la boquilla normalmente podemos encontrar diámetros: 0.25, 0.4, 0.6, 0.8, 1 y 1.2mm. Aunque ya podemos encontrar diámetros de 0.15 o 0.10mm. Podemos encontrar los siguientes tipos de boquillas ordenados por frecuencia de uso y coste: BOQUILLA DE LATÓN: es el material más común ya que para el coste que tiene proporciona gran estabilidad térmica, el único problema que presenta es un desgaste más rápido que el resto, sobre todo ante filamentos abrasivos. BOQUILLA DE ACERO INOXIDABLE: posee una mayor resistencia al latón, la ventaja es que no contiene plomo por lo que puede ser utilizado para piezas en contacto con piel o alimentos. Ilustración 28 – Boquilla de latón y acero inoxidable OPTIMIZACIÓN DE LOS PROCESOS DE IMPRESIÓN 3D Página | 37 ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES UNIVERSIDAD DE VALLADOLID BOQUILLA DE ACERO ENDURECIDO: se crearon para solucionar los problemas de desgaste de los nozzle anteriores manteniendo la calidad de impresión, pero acosta de perder transmisión de calor que puede ser un inconveniente para flujos altos. Ilustración 29 – Boquilla de acero endurecido BOQUILLA DE PUNTA DE RUBÍ: es la combinación de un nozzle de latón con una punta incrustada de rubí. Lo que permite mantener las propiedades térmicas del nozzle de latón con una durabilidad y precisión muy superior. Por todo esto es una boquilla con un alto precio. Ilustración 30 – Boquilla de punta de rubí Página | 38 MARTÍN MORLANES, JUAN LUIS CAPÍTULO 4. COMPONENTES DE UNA IMPRESORA 3D FDM Y SU INFLUENCIA 4.3. MECÁNICA Engloba todos los elementos que se encargan del buen movimiento de la impresora, como son los ejes, motores, raíles, etc. 4.3.1. TIPO DE MOVIMIENTO 4.3.1.1. CARTESIANAS Este tipo de impresoras son las más comunes ya que son las más sencillas de programar gracias a que el movimiento de cada eje es obtenido por motores individuales. Esto implica que estas impresoras tienen un mayor peso y por tanto mayor masa en movimiento. Sus principales ventajas son: Montaje y mantenimiento sencillo. Programación y Gcode más sencillos. Es más sencillo encontrar problemas de movimiento. El esfuerzo que soporta cada motor es menor. Presentan un principal inconveniente: Mayor masa suspendida, lo que limita las velocidades de impresión. Ilustración 31 – Impresoras cartesianas En impresoras cartesianas podemos diferenciar entre varios movimientos: XZ: el cabezal se mueve en dirección X y Z, con lo que solo se mueve en plano vertical, mientras que el movimiento en Y lo realiza la base. XY: el cabezal se mueve en X e Y, plano horizontal, mientras que la base se mueve en Z. XYZ: el cabezal se mueve en las 3 direcciones mientras que la cama permanece inmóvil. Se utiliza para grandes impresiones. OPTIMIZACIÓN DE LOS PROCESOS DE IMPRESIÓN 3D Página | 39 ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES UNIVERSIDAD DE VALLADOLID 4.3.1.2. CORE-XY Este sistema de movimiento se basa en mezclar los conceptos de la cartesiana y la delta, desde el cual tenemos un movimiento del cabezal en el plano horizontal XY sujeto simultáneamente a dos motores mediante poleas, lo que nos permite alcanzar grandes velocidades y precisión, mientras que el movimiento en el eje Z lo realiza la base y es mucho más lento. Todavía no es muy habitual verlo, aunque se está popularizando cada vez más, ya que tiene algunas ventajas determinantes: Tiene una menor masa en movimiento, que es lo que permite mejorar las velocidades de impresión sin perder precisión. Gran relación entre volumen de impresión y volumen de impresora. En contra tenemos varias desventajas: Requiere un procesador mayor para realizar los complejos cálculos de movimiento. Montaje complicado y preciso. Mantenimiento y calibración difícil. Materiales más caros, ya que debemos invertir en correas y poleas de gran calidad. Estas desventajas suben el coste y por ello no se llega a popularizar totalmente, ya que puede no compensar estas mejoras frente al gasto económico que debemos realizar. Ilustración 32 – Impresora CoreXY DIY Página | 40 MARTÍN MORLANES, JUAN LUIS CAPÍTULO 4. COMPONENTES DE UNA IMPRESORA 3D FDM Y SU INFLUENCIA 4.3.1.3. DELTA Este tipo de movimiento se popularizó en los entornos industriales por su capacidad de mover objetos a gran velocidad. El movimiento consiste en tres guías verticales que se unen al cabezal mediante brazos, cada posición del cabezal en el volumen de impresión viene definida por la altura de los tres brazos sobre las guías. Ventajas principales: Grandes velocidades de impresión, interesa disminuir la masa del cabezal lo máximo posible por ello se suelen usar alimentación bowden. Tiene menos componentes lo que implica menor mantenimiento y costes de materiales. El esfuerzo se reparte entre los tres motores. Desventajas: Debido a las grandes velocidades y que la estructura no puede absorber las inercias de movimiento, no suelen tener una calidad de impresión mejor que otros tipos. El movimiento es complejo por lo que requiere un procesador mayor y suele generar problemas de impresión. La calidad está limitada por la impresión a alta velocidad del extrusor y del material. Ilustración 33 – Impresora Delta OPTIMIZACIÓN DE LOS PROCESOS DE IMPRESIÓN 3D Página | 41 ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES UNIVERSIDAD DE VALLADOLID 4.3.2. CORREAS Y POLEAS Son las encargadas de transmitir el movimiento de los motores a los ejes o el cabezal. Veremos los diferentes tipos de correas que podemos encontrar: CORREA DE GOMA: no tenían refuerzos, lo que se deriva en una mala precisión por el estiramiento de las correas con la tensión del motor y su alargamiento con el uso. Su única ventaja es su bajo coste en comparación con el resto. CORREAS TIPO T: tienen los dientes rectos lo que se traduce en juego entre en los movimientos de ejes. Con la aparición de las correas GT2 se dejaron de utilizar. CORREAS GT2 REFORZADAS CON FIBRA DE VIDRIO: son las más comunes ya que eliminan el problema del alargamiento con el uso. CORREAS GT2 REFORZADAS CON FIBRA DE VIDRIO Y CON RECUBRIMIENTO ANTI-DESGASTE: son relativamente nuevas y solucionan el único problema que presenta el modelo anterior, evitan que su superficie se desgaste con el uso. POLEAS GT2: tienen un menor número de dientes que las anteriores por lo que afecta al número de pasos, que se traduce en una menor transmisión de la fuerza, un mayor par y el motor realiza más movimiento para realizar el mismo recorrido. En ciertos casos puede no ser interesante la mejora del par, tomando como referencia la polea de 20 dientes, podemos decir que puede ser interesante bajar el tamaño para impresoras 3D pequeñas, lentas y precisas, y aumentar el tamaño para impresoras 3D grandes y rápidas. Ilustración 34 – Correa y polea GT2 Página | 42 MARTÍN MORLANES, JUAN LUIS CAPÍTULO 4. COMPONENTES DE UNA IMPRESORA 3D FDM Y SU INFLUENCIA 4.3.3. VARILLAS Podemos encontrar dos tipos de varillas normalmente: VARILLAS DE ACERO INOXIDABLE: son las más comunes y las que suelen llevar

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