Garantizando la precisión dimensional en piezas impresas en 3D

Introducción

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

Diseño - La precisión de una pieza impresa depende en gran medida del diseño. Las variaciones en enfriamiento y curado resultan en tensiones internas que pueden llevar a alabeo o contracción. La impresión 3D no es adecuada para superficies planas o características largas, delgadas y sin soporte. La precisión también disminuirá a medida que el tamaño de la pieza aumente. Recomendaciones de diseño específicas para cada una de las tecnologías discutidas en este artículo se pueden encontrar en el Capítulo 5 de la Base de Conocimiento.

Materiales - Al igual que el diseño, la precisión también depende del material. A menudo la precisión de una pieza se sacrifica para mejorar una propiedad material específica. Por ejemplo, una resina SLA estándar producirá piezas dimensionalmente más precisas 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 usarán los siguientes parámetros.

• Precisión dimensional - valores cuantitativos de fabricantes de máquinas y proveedores de materiales que indican la precisión esperada de las piezas. Todas las tolerancias indicadas son con respecto a piezas bien diseñadas en máquinas bien calibradas.
• Alabeo o contracción - la probabilidad de que una pieza se alabe o encoja durante la etapa de impresión. Esto depende mucho del diseño, sin embargo algunos procesos producen piezas que son intrínsecamente más propensas al alabeo o contracción.
• Requisitos de soporte - para muchas tecnologías de impresión 3D, la cantidad de soporte usado gobernará qué tan precisamente se imprime una superficie o característica. La desventaja es que el soporte afecta el acabado superficial de una pieza ya que debe retirarse.

Para información sobre el tamaño mínimo de característica y detalles que cada tecnología de impresión 3D puede lograr, consulta aquí. El impacto de la altura de capa en una pieza impresa en 3D se discute en este artículo.

FDM

La modelación por deposición fundida (FDM) es más adecuada para prototipado de bajo coste, donde forma y ajuste son más importantes que función. FDM produce piezas capa a capa extruyendo un termoplástico sobre una placa de construcción.

Para piezas grandes, esto puede llevar a grandes variaciones de temperatura a lo largo de la plataforma de construcción. Como diferentes áreas de la pieza se enfrían a diferentes ritmos, las tensiones internas causan que la impresión se deforme, llevando a alabeo o contracción. Soluciones como imprimir balsas, camas calientes y radios en bordes y esquinas agudos pueden ayudar a reducir esto.

Diferentes materiales son más propensos al alabeo que otros. Por ejemplo, se sabe que ABS es más susceptible al alabeo que 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 pieza sólida una sección transversal a la vez. Estas áreas curadas, sin embargo, no están a plena resistencia hasta el post-procesado con UV. Debido a esto y al ángulo y orientaciones en que las piezas SLA se imprimen típicamente, puede ocurrir hundimiento de vanos sin soporte.

Al construirse una capa a la vez, este efecto se vuelve acumulativo llevando a las discrepancias dimensionales vistas a veces en piezas SLA altas. Las discrepancias dimensionales también pueden ocurrir debido al proceso de despegado usado por algunas impresoras SLA. La fuerza de tracción durante el despegado puede causar que la impresión blanda se doble, lo que nuevamente puede acumularse a medida que se construye cada capa.

Las resinas que tienen propiedades flexurales más altas (menos rígidas) están en mayor riesgo de alabeo y pueden no ser adecuadas para aplicaciones de alta precisión.

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SLS

El sinterizado selectivo por láser (SLS) produce piezas con alta precisión y puede imprimir diseños con geometría compleja. Un láser sinteriza selectivamente polvo capa a capa para formar una pieza sólida.

Para restringir la probabilidad de que las piezas se alaben o encojan durante la impresión, las impresoras SLS usan cámaras de construcción calentadas que calientan el polvo justo por debajo de la temperatura de sinterizado. Esto aún resulta, sin embargo, en gradientes de temperatura en piezas SLS grandes donde la parte inferior de la pieza se ha enfriado mientras las capas superiores recientemente impresas permanecen a temperatura elevada. Para mitigar aún más la probabilidad de alabeo, las piezas se dejan en el polvo para enfriar lentamente (a menudo durante el 50% del tiempo total de construcción).

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Material Jetting

Material Jetting se considera la forma más precisa de impresión 3D. Como no hay calor involucrado en el proceso de impresión, el alabeo y la contracción rara vez ocurren.

La mayoría de problemas de precisión dimensional relacionados con características y paredes delgadas impresas por debajo de las especificaciones de la impresora. Material jetting imprime el soporte como una estructura sólida a partir de un material secundario blando que se retira después de la impresión. La naturaleza sólida del soporte resulta en superficies en contacto con el soporte impresas a un alto nivel de precisión. Se debe tener cuidado al manipular piezas producidas vía material jetting ya que pueden alabear y cambiar dimensionalmente como resultado de exposición a calor ambiental, humedad o luz solar.

Impresión 3D de metal

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

Como resultado, las piezas de metal impresas están en alto riesgo de distorsión o alabeo, lo que significa que buenas prácticas de diseño y orientación de la pieza son críticas 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 metálica sólida y necesitan ser removidas una vez completado 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 desprenda. La mayoría de las piezas también se alivian de tensiones (mediante un proceso de tratamiento térmico) después de construidas y antes de su remoción de la placa de construcción (hacerlo permite que la estructura cristalina se relaje, previniendo fallos posteriores).

Dado que el coste de las piezas de metal impresas en 3D es alto, a menudo se usan simulaciones para validar la precisión de un diseño antes de iniciar el trabajo de impresión.

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Reglas prácticas

• Para la máxima precisión (y cuando el presupuesto no es una limitación), Material Jetting es la solución óptima.
• Para alta precisión, se recomienda SLA para piezas menores de 1000 cm³ (10 x 10 x 10 cm), y SLS para piezas con dimensiones mayores de 1000 cm³.
• Para prototipado rápido y rentable, FDM es la mejor solución.