Precisión dimensional de piezas impresas en 3D

Introducción

El objetivo de este artículo es proporcionar a los ingenieros y diseñadores un método para comparar la precisión dimensional esperada que se puede obtener con las tecnologías de impresión 3D. Si bien todas las tecnologías tienen fortalezas y debilidades, los 2 factores que más determinan si una pieza se imprimirá según las especificaciones son:

Diseño - La precisión de la impresión de una pieza depende en gran medida del diseño. Las variaciones en el enfriamiento y el curado dan como resultado tensiones internas que pueden provocar deformaciones o encogimientos. La impresión 3D no es adecuada para superficies planas o características largas y delgadas sin soporte. La precisión también disminuirá a medida que los tamaños de las piezas sean más grandes. Las recomendaciones de diseño específicas para cada una de las tecnologías analizadas en este artículo se pueden encontrar en el Capítulo 5 de la Base de conocimientos.

Materiales - Al igual que el diseño, la precisión también depende del material. A menudo, la precisión de una pieza se sacrifica por la mejora de una propiedad específica del material. Por ejemplo, una resina SLA estándar producirá piezas con mayor precisión dimensional que una resina flexible. Para piezas donde la alta precisión es crítica, se recomiendan materiales de impresión estándar.

Variables de precisión

Para ayudar a cuantificar la precisión de una pieza impresa en 3D, se utilizarán los siguientes parámetros.

• Precisión dimensional - valores cuantitativos de fabricantes de máquinas y proveedores de materiales que indiquen la precisión esperada de las piezas. Todas las tolerancias indicadas se refieren a piezas bien diseñadas en máquinas bien calibradas.
  
• Alabeo o encogimiento - la probabilidad de que una pieza se deforme o encoja durante la etapa de impresión. Esto depende en gran medida del diseño; sin embargo, algunos procesos producen piezas que corren más riesgo de deformarse o encogerse.
  
• Requisitos de soporte - para muchas tecnologías de impresión 3D, la cantidad de soporte utilizada determinará la precisión con la que se imprime una superficie o característica. La desventaja de esto es que el soporte afecta el acabado de la superficie de una pieza, ya que debe eliminarse.
  
  

Para obtener información sobre el tamaño mínimo de las características y los detalles que cada tecnología de impresión 3D puede lograr, consulte aquí. En este artículo se analiza la altura de la capa de impacto en una pieza impresa en 3D.

FDM

El modelado por deposición fundida (FDM) es más adecuado para la creación de prototipos de bajo costo, donde la forma y el ajuste son más importantes que la función. FDM produce piezas una capa a la vez mediante la extrusión de un termoplástico en una placa de construcción.

Para piezas grandes, esto puede generar grandes variaciones de temperatura en la plataforma de construcción. A medida que las diferentes áreas de la pieza se enfrían a diferentes velocidades, la tensión interna hace que la impresión se deforme, lo que provoca deformaciones o encogimientos. Soluciones como balsas de impresión, camas calientes y radios en esquinas y bordes afilados pueden ayudar a reducir esto.

Los materiales de Differnet son más propensos a deformarse que otros. Por ejemplo, se sabe que el ABS es más susceptible a la deformación que el PLA.

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SLA

Las impresoras SLA (estereolitografía) usan un láser para curar con UV áreas específicas de un tanque de resina para formar una parte sólida de una sección transversal a la vez. Estas áreas curadas, sin embargo, no tienen toda su fuerza hasta el posprocesamiento con UV. Debido a esto y al ángulo y las orientaciones en las que normalmente se imprimen las piezas SLA, se pueden producir pandeos en los tramos sin soporte.

A medida que se construye una capa a la vez, este efecto se vuelve acumulativo y conduce a las discrepancias dimensionales que a veces se observan en las piezas SLA altas. Las discrepancias dimensionales también pueden ocurrir debido al proceso de pelado que utilizan algunas impresoras SLA. La fuerza de tracción durante el proceso de pelado puede hacer que la impresión suave se doble, lo que nuevamente puede acumularse a medida que se construye cada capa.

Las resinas que tienen propiedades de flexión más altas (menos rígidas) tienen un mayor riesgo de deformación y pueden no ser adecuadas para aplicaciones de alta precisión.

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SLS

La sinterización selectiva por láser (SLS) produce piezas con alta precisión y puede imprimir diseños con geometría compleja. Un láser sinteriza selectivamente el polvo una capa a la vez para formar una pieza sólida.

Para restringir la probabilidad de que las piezas se deformen o se encojan durante la impresión, las impresoras SLS utilizan cámaras de construcción calentadas que calientan el polvo justo por debajo de la temperatura de sinterización. Sin embargo, esto aún genera gradientes de temperatura en piezas SLS grandes donde la parte inferior de la pieza se ha enfriado mientras que las capas superiores recientemente impresas permanecen a una temperatura elevada. Para mitigar aún más la probabilidad de que se produzcan deformaciones, las piezas se dejan en el polvo para que se enfríen lentamente (a menudo durante el 50 % del tiempo total de construcción).

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Lanzamiento de materiales

La inyección de material se considera la forma más precisa de impresión 3D. Debido a que no hay calor involucrado en el proceso de impresión, rara vez se producen deformaciones y encogimientos.

La mayoría de los problemas de precisión dimensional están relacionados con características y paredes delgadas que se imprimen por debajo de las especificaciones de la impresora. Las impresiones mediante chorro de material se sustentan como una estructura sólida a partir de un material secundario blando que se elimina después de la impresión. La naturaleza sólida del soporte da como resultado que las superficies en contacto con el soporte se impriman con un alto nivel de precisión. Se debe tener cuidado al manipular piezas producidas a través de inyección de material, ya que pueden deformarse y cambiar dimensionalmente como resultado de la exposición al calor ambiental, la humedad o la luz solar.

Impresión 3D de metales

La impresión de metales (específicamente DMLS y SLM) utiliza un láser para sinterizar o fundir polvo metálico de forma selectiva para producir piezas metálicas. Al igual que SLS, la impresión en metal produce piezas capa por capa en un ambiente controlado y calentado en máquinas de tamaño industrial. Esta construcción capa por capa, junto con las temperaturas muy altas involucradas en el proceso, crea gradientes térmicos extremos, y el efecto neto es que las tensiones se acumulan en la pieza.

Como resultado, las piezas impresas en metal corren un alto riesgo de distorsionarse o deformarse, lo que significa que las buenas prácticas de diseño y la orientación de las piezas son fundamentales para lograr una pieza precisa. A diferencia de SLS, las estructuras de soporte son vitales para minimizar la distorsión de la pieza durante la producción. Las piezas también se construyen generalmente sobre una placa de metal sólido y deben retirarse una vez que se completa el proceso de impresión. Se requiere una sólida comprensión del proceso junto con estructuras de soporte sólidas y de celosía para mantener la pieza firmemente unida a la cama de impresión y evitar que se separe. La mayoría de las piezas también se liberan de la tensión (a través de un proceso de tratamiento térmico) después de que se construyen y antes de retirarlas de la placa de construcción (al hacerlo, la estructura cristalina se relaja, evitando fallas posteriores).

Dado que el costo de las piezas metálicas impresas en 3D es alto, las simulaciones se utilizan a menudo para validar la precisión de un diseño antes de comenzar el trabajo de impresión.

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Reglas generales

• Para obtener la máxima precisión (y cuando el presupuesto no es una limitación), Material Jetting es la solución óptima.
  
• Para una alta precisión, se recomienda SLA para piezas de menos de 1000 cm ³ (10 x 10 x 10 cm), y SLS para piezas con dimensiones superiores a 1000 cm ³ (10 x 10 x 10 cm).
  
• La creación rápida y rentable de prototipos FDM es la mejor solución.