¿Qué es la impresión 3D FDM (modelado por deposición fundida)? Explicado por Hubs

Modelado por deposición fundida (FDM) La impresión 3D, también conocida como fabricación de filamentos fundidos (FFF), es una fabricación aditiva (AM) dentro del ámbito de la extrusión de materiales. FDM construye piezas capa por capa depositando selectivamente material fundido en una ruta predeterminada y utiliza polímeros termoplásticos que vienen en forma de filamentos.

Al componer la mayor base instalada de impresoras 3D de grado industrial y de escritorio en todo el mundo, FDM es la tecnología más utilizada y probablemente el primer proceso en el que piensa cuando imprime en 3D surge.

En este artículo, cubrimos los principios básicos y las características clave de esta popular tecnología de aditivos. También exploramos las diferencias entre las máquinas FDM creadas para aplicaciones industriales y de escritorio y brindamos consejos y trucos para que los ingenieros obtengan los mejores resultados de la impresión 3D FDM.

Mirar antes de leer:cómo crear prototipos como un profesional con la impresión 3D FDM

Este video explica cómo usar la impresión 3D FDM para la creación rápida de prototipos.

¿Cómo funciona la impresión 3D FDM?

Una impresora 3D FDM funciona depositando material de filamento derretido sobre una plataforma de construcción capa por capa hasta que tenga una pieza completa. FDM utiliza archivos de diseño digital que se cargan en la propia máquina y los traduce a dimensiones físicas. Materiales para FDM incluyen polímeros como ABS , PLA , PETG y PEI , que la máquina alimenta como hilos a través de una boquilla calentada.

Para operar una máquina FDM, primero carga un carrete de este filamento termoplástico en la impresora. Una vez que la boquilla alcanza la temperatura deseada, la impresora alimenta el filamento a través de un cabezal de extrusión y una boquilla.

Este cabezal de extrusión está unido a un sistema de tres ejes que le permite moverse a través de los ejes X, Y y Z. La impresora extruye el material fundido en finas hebras y las deposita capa por capa a lo largo de un camino determinado por el diseño. Una vez depositado, el material se enfría y solidifica. Puede conectar ventiladores al cabezal de extrusión para acelerar el enfriamiento en algunos casos.

Para rellenar un área, se requieren varias pasadas, de forma similar a colorear una forma con un marcador. Cuando la impresora termina una capa, la plataforma de construcción desciende y la máquina comienza a trabajar en la siguiente capa. En algunas configuraciones de máquina, el cabezal de extrusión se mueve hacia arriba. Este proceso se repite hasta que la pieza está terminada.

¿Cuáles son los parámetros de impresión para las impresoras 3D FDM?

La mayoría de los sistemas FDM le permiten ajustar varios parámetros del proceso. Estos incluyen las temperaturas de la boquilla y la plataforma de construcción, la velocidad de construcción, la altura de la capa y la velocidad del ventilador de enfriamiento. Si es diseñador, normalmente no tiene que preocuparse por estos ajustes, ya que un operador de AM probablemente ya tenga eso cubierto.

Sin embargo, los factores que es importante considerar son el tamaño de construcción y la altura de la capa. El tamaño de construcción común de una impresora 3D de escritorio es de 200 x 200 x 200 mm, mientras que las máquinas industriales pueden alcanzar tamaños de 1000 x 1000 x 1000 mm. Si prefiere utilizar una máquina de escritorio para imprimir su pieza, puede dividir un modelo grande en piezas más pequeñas y luego volver a ensamblarlo. .

La altura típica de la capa de FDM oscila entre 50 y 400 micras. La impresión de capas más cortas produce piezas más suaves y captura geometrías curvas con mayor precisión, aunque la impresión de capas más altas significa que puede crear piezas rápidamente y por un precio más bajo.

Consejo de diseño: Un compromiso inteligente que recomendamos es imprimir capas de 200 micras de espesor. ¿Quieres saber más? Consulte nuestro artículo sobre el impacto de la altura de la capa en las piezas impresas en 3D .

¿Existe alguna diferencia entre las impresoras FDM de escritorio y las industriales?

Las impresoras FDM generalmente se dividen en dos categorías principales:máquinas industriales (también llamadas profesionales) y de escritorio (también llamadas de creación de prototipos). Ambos grados de impresora tienen distintas aplicaciones y ventajas, aunque la principal diferencia entre las dos tecnologías es su escala de producción.

Las impresoras 3D FDM industriales, como la impresora 3D de Stratasys, son mucho más caras que sus contrapartes de escritorio (las máquinas de escritorio son principalmente para uso doméstico, por lo que usarlas para sus piezas personalizadas tendrá un costo más alto). Dado que las máquinas industriales son más eficientes y potentes que las impresoras FDM de escritorio, se utilizan con mayor frecuencia para herramientas, prototipos funcionales y piezas de uso final.

Además, las impresoras FDM industriales pueden completar pedidos más grandes mucho más rápido que las máquinas de escritorio. Están diseñados para la repetibilidad y la confiabilidad y pueden producir la misma pieza una y otra vez con una intervención humana mínima. Las impresoras FDM de escritorio no son tan robustas. Con las máquinas de escritorio, debe realizar un mantenimiento frecuente por parte del usuario y una calibración periódica.

En la siguiente tabla, desglosamos las principales diferencias entre una máquina FDM típica de escritorio y una industrial.

Propiedad	FDM industrial	FDM de escritorio
Precisión estándar	± 0,15 % (límite inferior ± 0,2 mm)	± 1 % (límite inferior:± 1,0 mm)
Grosor de capa típico	0,18 - 0,5 mm	0,10 - 0,25 mm
Grosor de pared mínimo	1 mm	0,8 - 1 mm
Envolvente máxima de construcción	Grande (por ejemplo, 900 x 600 x 900 mm)	Medio (por ejemplo, 200 x 200 x 200 mm)
Materiales comunes	ABS, PC, ULTEM	PLA, ABS, PETG
Material de apoyo	soluble en agua/desprendible	Igual que parte (típicamente)
Capacidades de producción (por máquina)	Bajo/Medio	Bajo
Coste de la máquina	$50000+	$500 - $5000

¿Cuáles son las características de la impresión 3D FDM?

Si bien las impresoras 3D FDM varían en términos de sus sistemas de extrusión y la calidad de la pieza que obtiene de varias máquinas, existen características comunes que puede esperar de cada proceso de impresión FDM.

Deformación

Warping es uno de los defectos más comunes en FDM. Cuando el material extruido se enfría durante la solidificación, sus dimensiones disminuyen. Dado que las diferentes secciones de la pieza impresa se enfrían a diferentes velocidades, sus dimensiones también cambian a diferentes velocidades. El enfriamiento diferencial provoca la acumulación de tensiones internas que tiran de la capa subyacente hacia arriba, lo que hace que se deforme.

Hay varias formas de evitar la deformación. Un método es monitorear de cerca la temperatura de su sistema FDM, especialmente la plataforma y la cámara de construcción. También puede aumentar la adhesión entre la pieza y la plataforma de construcción para mitigar la deformación.

Tomar ciertas decisiones durante el proceso de diseño también puede reducir la probabilidad de que su parte se deforme. Estos son algunos ejemplos:

• Las áreas grandes y planas, como las que se verían en una caja rectangular, son más propensas a deformarse. Trate de evitar estos siempre que sea posible.

• Las características delgadas que sobresalen (piense en las puntas de un tenedor) también son propensas a deformarse. Agregar material adicional de guía o de alivio de tensión en los bordes de las características delgadas para aumentar el área que hace contacto con la plataforma de construcción ayuda a evitar esto.

• Las esquinas afiladas se deforman con más frecuencia que las formas redondeadas, por lo que recomendamos agregar filetes al diseño.

• Cada material tiene su propia susceptibilidad a la deformación. Por ejemplo, el ABS es generalmente más sensible a la deformación que el PLA o el PETG, por ejemplo.

Adhesión de capas

La adhesión segura entre las capas depositadas de una pieza es fundamental en FDM. Cuando una máquina FDM extruye termoplástico fundido a través de la boquilla, este material presiona contra la capa previamente impresa. La alta temperatura y la presión hacen que esta capa se vuelva a fundir y permite que se una a la capa anterior.

Y dado que el material fundido presiona contra la capa previamente impresa, su forma se deforma a un óvalo. Esto significa que las piezas FDM siempre tienen una superficie ondulada, independientemente de la altura de la capa se utiliza, y que las características pequeñas, como pequeños agujeros o hilos , puede requerir un procesamiento posterior.

Estructura de apoyo

Las impresoras FDM no pueden depositar termoplástico fundido en el aire. Ciertas geometrías de piezas requieren estructuras de soporte , que suelen estar impresos en el mismo material que las propias piezas.

A menudo, quitar los materiales de la estructura de soporte puede ser difícil, por lo que suele ser mucho más fácil diseñar las piezas de tal manera que se minimice la necesidad de estructuras de soporte. Los materiales de soporte que se disuelven en líquido están disponibles, pero generalmente los usa junto con las impresoras 3D FDM de gama alta. Tenga en cuenta que el uso de soportes solubles aumentará el costo total de una impresión.

Relleno y espesor de la carcasa

Para reducir el tiempo de impresión y ahorrar materiales, las impresoras FDM no suelen producir piezas sólidas. En cambio, la máquina traza el perímetro exterior, llamado caparazón, en varias pasadas y llena el interior, llamado relleno, con una estructura interna de baja densidad.

Grosor de relleno y caparazón afectan significativamente la resistencia de las piezas impresas con FDM. La mayoría de las impresoras FDM de escritorio tienen una configuración predeterminada de densidad de relleno del 20 % y un grosor de carcasa de 1 mm, lo que proporciona un compromiso adecuado entre fuerza y ​​velocidad para impresiones rápidas.

La siguiente tabla resume las principales características de la impresión 3D FDM.

	FDM
Materiales	Termoplásticos (PLA, ABS, PETG, PC, PEI, etc.)
Precisión dimensional	± 0,5 % (límite inferior ± 0,5 mm) - escritorio ± 0,15 % (límite inferior ± 0,2 mm) - industrial
Tamaño de construcción típico	200 x 200 x 200 mm - escritorio 900 x 600 x 900 mm - industrial
Espesor de capa común	50 a 400 micras
Soporte	No siempre requerido (disoluble disponible)

¿Cuáles son los materiales comunes para la impresión 3D FDM?

Una de las ventajas clave de FDM (tanto de escritorio como industrial) es la amplia gama de materiales de la tecnología. Esto incluye termoplásticos básicos como PLA y ABS , materiales de ingeniería como PA, TPU y PETG y termoplásticos de alto rendimiento, incluidos PEEK y PEI .

El filamento PLA es el material más común utilizado en las impresoras FDM de escritorio. La impresión con PLA es relativamente fácil y puede producir piezas con detalles más finos. Cuando necesita mayor resistencia, ductilidad y estabilidad térmica, normalmente utiliza ABS. Sin embargo, el ABS es más propenso a deformarse, especialmente si está utilizando una máquina que no tiene una cámara calentada.

Otra alternativa para la impresión FDM de escritorio es el PETG, que es comparable al ABS en su composición y en la facilidad de impresión. Estos tres materiales son adecuados para la mayoría de las aplicaciones de servicios de impresión 3D, desde la creación de prototipos hasta la forma, el ajuste y la función, hasta la producción de bajo volumen de modelos o piezas funcionales.

Las máquinas FDM industriales, por otro lado, utilizan principalmente termoplásticos de ingeniería , incluyendo ABS, policarbonato (PC) y Ultem. Estos materiales suelen venir equipados con aditivos que alteran sus propiedades y los hacen particularmente útiles para necesidades industriales como alta resistencia al impacto, estabilidad térmica, resistencia química y biocompatibilidad.

La impresión en diferentes materiales afectará las propiedades mecánicas y la precisión de su pieza, así como su costo. Comparamos los materiales FDM más comunes en la siguiente tabla.

Material	Características
ABS	+ Buena fuerza + Buena resistencia a la temperatura - Más susceptible a la deformación
PLA	+ Excelente calidad visual + Fácil de imprimir con - Baja resistencia al impacto
Nailon (PA)	+ Alta resistencia + Excelente resistencia al desgaste y a los productos químicos - Resistencia a la baja humedad
PETG	+ Seguridad alimentaria* + Buena fuerza + Fácil de imprimir con
TPU	+ Muy flexible - Difícil de imprimir con precisión
PEI	+ Excelente resistencia al peso + Excelente resistencia al fuego y a los productos químicos - Alto costo

Para obtener más detalles, consulte esta revisión de las principales diferencias entre PLA y ABS —los dos materiales FDM más comunes— y una extensa comparación de todos los materiales FDM comunes .

Post-procesamiento para impresión 3D FDM

Piezas impresas en 3D FDM se puede terminar con un estándar bastante alto a través de varios métodos de procesamiento posterior, que incluyen lijado y pulido, imprimación y pintura, soldadura en frío, alisado con vapor, recubrimiento con epoxi y metalizado.

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¿Cuáles son las mejores prácticas para imprimir con FDM?

• FDM puede producir prototipos y piezas funcionales de forma rápida y rentable.

• Existe una amplia gama de materiales disponibles para FDM.

• El tamaño de construcción típico de una impresora 3D FDM de escritorio es de 200 x 200 x 200 mm. Las máquinas industriales tienen un tamaño de construcción más grande.

• Para evitar la deformación, evite las áreas planas grandes y agregue filetes a las esquinas afiladas.

• FDM es inherentemente anisotrópico, por lo que no es adecuado para componentes mecánicamente críticos.

• El tamaño mínimo de las características de las máquinas FDM está limitado por el diámetro de la boquilla y el espesor de la capa.

• La extrusión de material hace que sea imposible producir características verticales (en la dirección Z) con una geometría más pequeña que la altura de la capa (típicamente 0,1 - 0,2 mm).

• FDM normalmente no puede producir características planas (en el plano XY) más pequeñas que el diámetro de la boquilla (0,4 - 0,5 mm).

• Las paredes deben ser al menos 2 o 3 veces más grandes que el diámetro de la boquilla (es decir, 0,8 - 1,2 mm).

• Si busca producir superficies lisas y características muy finas, es posible que necesite un procesamiento posterior adicional, como pulido con chorro de arena y mecanizado. Otra tecnología AM como SLA puede ser más adecuada en este caso.

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Preguntas frecuentes

¿Cuáles son las ventajas de la impresión 3D FDM?

FDM es más rentable que cualquier tecnología de fabricación aditiva y utiliza una amplia variedad de materiales termoplásticos. La fabricación con FDM también significa plazos de entrega más cortos.

¿Cuáles son las desventajas de la impresión 3D FDM?

Si bien FDM es muy rentable, también tiene la resolución más baja en comparación con otras tecnologías de impresión 3D. Esto lo convierte en una opción menos viable para piezas con detalles muy pequeños.

¿FDM requiere procesamiento posterior?

Es probable que las piezas impresas con FDM tengan líneas de capa visibles, por lo que se requiere un procesamiento posterior para dar a las piezas un acabado uniforme.

¿Qué precisión tiene FDM?

En general, la precisión de la pieza depende de cómo haya calibrado su impresora FDM y la complejidad de su modelo. Las impresoras FDM industriales producen piezas con mayor precisión que las máquinas de escritorio, pero la tecnología de impresoras 3D domésticas se está poniendo al día rápidamente.

¿Qué tan caro es FDM?

FDM es la forma más rentable de producir piezas termoplásticas personalizadas y prototipos en el mercado actual. Desktop FDM es la opción absolutamente más rentable, pero produce piezas de menor calidad que su contraparte industrial.

¿Qué materiales están disponibles para FDM?

Hay disponible una amplia gama de materiales para FDM, incluidos PLA, ABS, TPU, PETG y PEI.

¿Qué tan rápido es FDM?

La producción de piezas personalizadas con FDM es relativamente rápida, y los plazos de entrega tienden a ser breves (normalmente, solo unos pocos días).

¿Para qué se utiliza principalmente FDM?

La tecnología FDM tiende a ser más adecuada para aplicaciones de creación de prototipos, modelado y fabricación de bajo volumen. FDM a escala industrial se puede utilizar para prototipos funcionales y piezas de uso final, entre otras aplicaciones.

¿Por qué FDM es actualmente la tecnología de impresión 3D más popular?

Las impresoras FDM producen piezas de alta calidad a partir de materiales duraderos, capaces de conservar propiedades mecánicas sólidas. Ambos tipos de máquinas FDM ofrecen una alta precisión dimensional e incluso a nivel industrial, FDM tiende a ser más rentable que otros procesos AM.