Selección del proceso de impresión 3D adecuado

Introducción

La impresión 3D o fabricación aditiva es un término general que abarca múltiples procesos. Cada proceso de impresión 3D tiene sus beneficios y limitaciones y cada uno es más adecuado para ciertas aplicaciones que otras.

En este artículo, brindamos varias herramientas fáciles de usar para ayudarlo a seleccionar el proceso de impresión 3D adecuado para sus necesidades. Utilice los siguientes gráficos y tablas como referencia rápida para identificar el proceso que mejor se adapte a sus requisitos de diseño.

Abordamos la selección del proceso desde tres ángulos diferentes:

• El material requerido ya se conoce
  
• Las características de la parte final (física o visual) ya están definidas
  
• Se requieren ciertas capacidades de proceso (precisión, tamaño de construcción, etc.)
  
  

Para que la información de este artículo sea procesable para el lector y siempre relevante en el panorama de la impresión 3D en constante evolución, se introdujeron algunas generalizaciones de alto nivel que se discutirán en cada sección cuando sea necesario.

Selección de un proceso por material

Los materiales de impresión 3D generalmente vienen en forma de filamento, polvo o resina (dependiendo de los procesos de impresión 3D utilizados). Los polímeros (plásticos) y los metales son los dos principales grupos de materiales de impresión 3D, aunque también hay disponibles otros materiales (como cerámica o compuestos). Los polímeros se pueden descomponer aún más en termoplásticos y termoestables.

Si ya se conoce el material requerido, seleccionar un proceso de impresión 3D es relativamente fácil, ya que solo unas pocas tecnologías producen piezas con los mismos materiales. En esos casos, el proceso de selección generalmente se convierte en una comparación de costos versus propiedades.

Termoplásticos:

Termoplásticos son los más adecuados para aplicaciones funcionales, incluida la fabricación de piezas de uso final y prototipos funcionales.

Poseen buenas propiedades mecánicas y alta resistencia al impacto, abrasión y química. También se pueden rellenar con carbón, vidrio u otros aditivos para mejorar sus propiedades físicas. Los termoplásticos de ingeniería impresos en 3D (como nailon, PEI y ASA) se utilizan ampliamente para producir piezas de uso final para aplicaciones industriales.

Las piezas SLS tienen mejores propiedades mecánicas y físicas y mayor precisión dimensional, pero FDM es más económico y tiene plazos de entrega más cortos.

	Termoplásticos típicos de impresión 3D
SLS	Nailon (PA), TPU
FDM	PLA, ABS, PETG, Nailon, PEI (ULTEM), ASA, TPU

La siguiente pirámide muestra los materiales termoplásticos más comunes para la impresión 3D. Como regla general, cuanto más alto se encuentre un material en la pirámide, mejores serán sus propiedades mecánicas y generalmente más difícil será imprimirlo (mayor costo):

Termosestables (resinas):

Termosestables (resinas) son más adecuados para aplicaciones en las que la estética es importante, ya que pueden producir piezas con superficies lisas similares a las de inyección y detalles finos.

En general, tienen una gran rigidez pero son más frágiles que los termoplásticos, por lo que no son adecuados para aplicaciones funcionales. Hay disponibles resinas especiales diseñadas para aplicaciones de ingeniería (que imitan las propiedades del ABS y el PP) o insertos e implantes dentales.

Material Jetting produce piezas con precisión dimensional superior y superficies generalmente más suaves, pero a un costo mayor que SLA/DLP. Ambos procesos utilizan resinas acrílicas fotocurables similares.

	Termoestables típicos de impresión 3D (resinas)
Lanzamiento de material	>Resina estándar, ABS digital, Resina duradera (tipo PP), Resina transparente, Resina dental
SLA/DLP	Resina estándar, resina resistente (similar al ABS), resina duradera (similar al PP), resina transparente, resina dental

Metales:

Metal Las piezas impresas en 3D tienen excelentes propiedades mecánicas y pueden funcionar a altas temperaturas. Las capacidades de forma libre de la impresión 3D las hacen ideales para aplicaciones livianas para las industrias aeroespacial y médica.

Las piezas DMLS/SLM tienen propiedades mecánicas y tolerancias superiores, pero el Binder Jetting puede ser hasta 10 veces más económico y puede producir piezas mucho más grandes.

	Metales típicos de impresión 3D
DMLS/SLM	Acero inoxidable, Titanio, Aluminio
Lavado de ligantes	Acero inoxidable (relleno de bronce o sinterizado)

Otros materiales:

Otros materiales también se pueden imprimir en 3D, pero no se utilizan tanto, ya que sus aplicaciones son limitadas. Estos materiales incluyen cerámica y arenisca a todo color con Binder Jetting.

	Otros materiales de impresión 3D
Inyección de aglutinante	Arena, Cerámica

Consejo profesional:

Debido a la naturaleza aditiva de la tecnología, las piezas impresas en 3D suelen tener propiedades mecánicas anisotrópicas, lo que significa que serán más débiles en la dirección z. Para piezas funcionales, esta característica debe tenerse en cuenta durante el diseño.

Por ejemplo, vea cómo se comparan las propiedades del nailon SLS con las del nailon a granel en este artículo.

Selección de un proceso por caso de uso

Es importante determinar al principio del proceso de selección si la principal consideración de diseño es la función. o apariencia visual . Esto será de gran ayuda para elegir el proceso más adecuado.

Como regla general, las piezas de polímero termoplástico son más adecuadas para aplicaciones funcionales, mientras que las piezas termoestables son más adecuadas para la apariencia visual.

Funcionalidad:

El siguiente diagrama de flujo puede ayudarlo a identificar el proceso de impresión 3D más adecuado en función de los requisitos de diseño comunes para prototipos y piezas funcionales.

Aquí hay algunos detalles más:

• Al diseñar una pieza o prototipo que interferirá con otros componentes, es importante definir el nivel de tolerancia necesario. . Como regla general, seleccionar un proceso con mayor precisión dimensional aumentará el costo. Otra opción es terminar características con dimensiones críticas o pequeños detalles después de la impresión 3D (por ejemplo, perforando agujeros o roscando roscas).
  
• La resistencia general de la pieza depende de diferentes propiedades mecánicas y físicas. Para simplificar la selección, la resistencia a la tracción del material se puede utilizar como guía. Cuando alta resistencia y rigidez se requieren, la impresión 3D en metal o la impresión FDM reforzada con fibras de carbono continuas son las mejores soluciones.
  
• Los materiales de impresión 3D de ingeniería están disponibles con propiedades especiales , como resistencia al calor, resistencia a las llamas, resistencia química o que estén certificados como biocompatibles o aptos para alimentos.
  
• La flexibilidad se puede definir como un alto alargamiento a la rotura, donde los termoplásticos como el TPU están disponibles en SLS y FDM, o como baja dureza, donde los materiales con una sensación similar al caucho están disponibles para SLA/DLP y Material Jetting.
  
  

Aspecto visual:

Cuando la apariencia visual es la principal preocupación, la selección del proceso de impresión 3D se puede simplificar utilizando el siguiente diagrama de flujo.

Aquí hay más información:

• Tanto SLA/DLP como Material Jetting pueden producir piezas con un acabado superficial suave similar al de un molde de inyección. La principal diferencia entre los dos procesos (aparte del costo) es que el soporte en Material Jetting es soluble, mientras que en SLA/DLP debe eliminarse manualmente después de la impresión, dejando pequeñas marcas en la superficie que deben ser procesadas posteriormente ( lijado o pulido).
  
• Material Jetting produce piezas totalmente transparentes, mientras que las piezas SLA/DLP se imprimen de forma semitransparente y se pueden posprocesar para que sean casi 100 % ópticamente transparentes.
  
• Las piezas con una textura especial, como un acabado similar a la madera o al metal, se pueden imprimir con filamentos FDM de relleno de madera o metal. Las piezas similares al caucho son blandas (dureza Shore <70 A) y pueden doblarse y comprimirse, pero tenga suerte con el rendimiento del verdadero caucho.
  
• Material Jetting y Binder Jetting son los únicos procesos de impresión 3D que actualmente ofrecen capacidades de impresión a todo color. Material Jetting tiene la ventaja, ya que ofrece materiales con mejores propiedades físicas, así como capacidades de múltiples materiales. Otra opción es imprimar y pintar los modelos después de la impresión o usar una impresora FDM con capacidad de extrusión dual (solo para dos colores).
  
  

Selección de un proceso por capacidades de fabricación

Cuando el diseño del modelo ya está finalizado, las capacidades de cada tecnología de impresión 3D a menudo jugarán el papel principal en la selección del proceso.

Es importante tener una visión general de la mecánica fundamental de cada proceso para comprender completamente sus beneficios y limitaciones clave. Para ello, consulte los artículos introductorios dedicados a cada tecnología en el siguiente capítulo de la Base de conocimientos.

Aquí hay algunas reglas útiles para ayudarlo a interpretar los datos:

• Precisión dimensional está conectado con el nivel de detalle que cada proceso puede lograr y la calidad de construcción de cada impresora 3D. Los procesos que ofrecen mayor precisión generalmente pueden crear piezas con características más finas. Las máquinas de grado industrial tienen mayor precisión y repetibilidad que las impresoras de escritorio.
  
• El tamaño de construcción determina las dimensiones máximas de una pieza que una impresora puede producir. Para los componentes que excedan el tamaño de construcción típico, considere migrar a una tecnología alternativa o dividir la pieza en varios componentes que se puedan ensamblar más tarde.
  
• La necesidad de estructuras de apoyo determina el nivel de libertad de diseño. Los procesos que no requieren soporte, como SLS, o soporte soluble, como Material Jetting o extrusión dual, tienen menos limitaciones y pueden producir estructuras de forma libre con mayor facilidad.
  
  

	Precisión dimensional	Tamaño de construcción típico	Soporte
FDM	± 0,5 % (límite inferior ± 0,5 mm) - escritorio ± 0,15 % (límite inferior ± 0,2 mm) - industrial	200 x 200 x 200 mm para impresoras de escritorio Hasta 900 x 600 x 900 mm para impresoras industriales	No siempre requerido (disoluble disponible)
SLA/DLP	± 0,5 % (límite inferior:± 0,10 mm) - escritorio ± 0,15 % (límite inferior ± 0,05 mm) - industrial	145 x 145 x 175 mm para escritorio Hasta 1500 x 750 x 500 mm para impresoras industriales	Siempre requerido
SLS	± 0,3 % (límite inferior:± 0,3 mm)	300 x 300 x 300 mm (hasta 750 x 550 x 550 mm)	No requerido
Lanzamiento de material	± 0,1 % (límite inferior de ± 0,05 mm)	380 x 250 x 200 mm (hasta 1000 x 800 x 500 mm)	Siempre requerido (siempre soluble)
Inyección de aglutinante	± 0,2 mm (± 0,3 mm para impresión con arena)	400 x 250 x 250 mm (hasta 1800 x 1000 x 700 mm)	No requerido
DMLS/SLM	± 0,1 mm	250 x 150 x 150 mm (hasta 500 x 280 x 360 mm)	Siempre requerido

Altura de la capa

Otro aspecto importante a considerar al elegir una tecnología es el impacto de la altura de la capa.

Debido a la naturaleza aditiva de la impresión 3D, la altura de la capa determina la suavidad de la superficie impresa y el tamaño mínimo una impresora puede producir (en la dirección z). El uso de una altura de capa más pequeña también hace que el efecto de escalón sea menos prominente y ayuda a producir superficies curvas más precisas. .

	Grosor de capa típico
FDM	50 - 400 μm (más común:200 μm)
SLA/DLP	25 - 100 μm (más común:50 μm)
SLS	80 - 120 μm (más común:100 μm)
Lanzamiento de material	16 - 30 μm (más común:16 μm)
Lavado de ligantes	100 μm
DMLS/SLM	30 - 50 micras

Reglas generales

• Determine temprano en el proceso de selección si la funcionalidad o la apariencia visual es la primera prioridad.
  
• Cuando más de un proceso puede producir partes en el mismo material, el proceso de selección se convierte en una comparación de costos versus propiedades.
  
• Para piezas poliméricas funcionales, prefiera los termoplásticos (SLS o FDM) a los termoestables.
  
• Para apariencia visual y estética, los termoestables (SLA/DLP o Material Jetting) son la mejor opción.
  
• Para las piezas de metal, elija DMLS/SLM para aplicaciones de alto rendimiento y Binder Jetting para un menor costo y un tamaño de pieza más grande.
  
• Para piezas funcionales de metal o plástico, considere también el mecanizado CNC.