Inserciones de alta resistencia para ensamblajes duraderos y precisos en impresión 3D

La fabricación aditiva tiene muchas ventajas, incluida la posibilidad de imprimir conjuntos de piezas en una sola impresión o geometrías complejas como una rosca. Sin embargo, en este último caso, el diseño de la rosca no permite un ensamblaje regular, ya que al ser de plástico, pueden deformarse y perder sus dimensiones o incluso fracturarse.

Cuando se quiere fabricar cierto tipo de pieza en el mundo de la impresión 3D, hay numerosas ocasiones en las que es necesario usar uniones resistentes para hacer piezas desmontables o asegurar la unión permanente de elementos de gran volumen.

Los componentes mecánicos fabricados con tecnologías tradicionales se convierten en soporte para piezas de fabricación aditiva. Y en el caso específico de unión de piezas, destacan las inserciones.

¿Qué son las inserciones?

Una alternativa a incorporar tuercas en medio de una impresión es usar inserciones metálicas. Las inserciones metálicas son elementos de fijación roscados que se insertan en un orificio para proporcionar a la pieza una posible conexión roscada.

Imagen 1: Inserciones. Fuente: Filament2print.

Hay dos factores clave a considerar al seleccionar el mejor tipo de inserción: resistencia a la extracción y resistencia a la torsión.

• Resistencia a la extracción: Es la resistencia de la inserción a salirse de su alojamiento al apretar el tornillo. Este valor puede aumentarse incrementando la longitud de la inserción.
• Resistencia a la rotación: Es la oposición a que la inserción gire sobre sí misma al apretar el tornillo. En este caso, cuanto mayor sea el diámetro de la inserción, mayor capacidad de par, ya que habrá más superficie de agarre sobre la pieza.

Genéricamente, se tendrán en cuenta factores como el diámetro y tamaño de la inserción (para lo cual es necesario consultar la ficha técnica del fabricante). Y los materiales, tanto de la inserción como del plástico donde se va a realizar la instalación. Existe una gran variedad de inserciones para instalar en cualquier tipo de material, ya sea metal, madera, plástico o similar. El material más común en la fabricación de inserciones es el latón, aunque también aparecen otros como acero inoxidable (resistente a la corrosión) o aluminio (menor peso).

Para FDM (al fabricar con materiales termoplásticos) casi cualquier inserción sería adecuada, pero al fabricar con SLA (que usa materiales termoendurecibles y, por tanto, una vez impresos no pueden modificarse con calor o presión) solo se podrían instalar inserciones autorroscantes o helicoidales.

Es muy importante destacar que, a pesar de que en FDM se puede usar una inserción de casi cualquier tipo de material, el procedimiento para colocar esta inserción siempre va a ser más problemático que en piezas SLA. Esto se debe a la no-isotropía de la pieza, lo que significa que ante una inserción colocada en frío, la presión es tal que la pieza se deslamina.

Hay muchos tipos de inserciones, y la clasificación común es según su forma de inserción.

Tipos de inserciones

Inserción por calor: Las inserciones por calor se usan con materiales termoplásticos, que se funden a bajas temperaturas. El método de uso es muy simple y solo requiere un soldador u otra fuente de calor (Modifi3D Pro), que hace que la inserción se caliente por contacto por transmisión de calor. Para colocar este tipo de inserción, debe haber un orificio en la pieza cuyo diámetro sea ligeramente menor que el diámetro exterior de la inserción. Usando una herramienta de inserción, y controlando la presión (porque es posible fundir la pieza alrededor del orificio), presione la inserción sobre el borde del orificio para expandir el plástico. La inserción quedará atrapada entre las fibras del plástico cuando se enfríe. La inserción estará en la posición correcta cuando ambos bordes, pieza e inserción, estén al mismo nivel. Con el posicionamiento correcto de este tipo de inserción, se puede alcanzar una resistencia a la tracción de 15 kg y una resistencia torsional de 2.5 kg. Además, las inserciones roscadas por calor tienen ambos orificios abiertos, por lo que pueden considerarse orificios pasantes, lo que significa que la longitud de la inserción no será una limitación incluso si el tornillo a roscar debe insertarse más profundo que la longitud de la propia inserción.

Imagen 2: Inserción por calor. Fuente: Filament2print.

Inserción a presión: Las inserciones a presión, o remaches, requieren un orificio con el mismo diámetro que el remache. Su instalación es muy simple, ya que, como cualquier remache, solo necesitan ser presionadas en su lugar con una herramienta de compresión. Como en el caso anterior, la inserción estará en la posición correcta cuando los dos bordes estén al mismo nivel. Es muy importante tener en cuenta que durante la instalación, las inserciones deben presionarse correctamente, ya que las piezas pueden aplastarse cerca de los orificios.

Autorroscantes (self-threading): Para ciertos materiales usados en SLS e impresión 3D de resina que se funden a temperaturas muy altas o no muestran comportamiento estable al calentarse, las inserciones autorroscantes son ideales. Caracterizadas por una rosca interna y externa para fácil instalación en la pieza, estas inserciones se colocan usando una herramienta de roscado tipo ensat. La pieza debe fabricarse con un orificio que tenga el mismo diámetro nominal que la inserción, ya que estas crean una rosca en el plástico al instalarse, resultando en un ensamblaje que puede someterse a tensiones mucho mayores comparado con las inserciones por calor. Además, estas inserciones son de acero inoxidable, un material altamente resistente al desgaste y ambientes agresivos.

Imagen 3: Inserción autorroscante y herramienta. Fuente: Filament2print.

Helicoil: Al igual que las inserciones autorroscantes, las inserciones helicoidales también tienen 2 roscas y funcionan de la misma manera. El orificio en la pieza debe dimensionarse según el estándar del helicoil seleccionado. Para colocar la inserción, primero debe crearse la rosca en el orificio usando un macho y luego instalarse usando una herramienta. Finalmente, la pequeña brida en la base de la inserción, que actúa como tope para la herramienta de instalación, se rompe. Si bien es cierto que estas inserciones no son económicas, su apariencia y practicidad son notables.

Recomendaciones

Respecto al diámetro de los orificios, debe tenerse en cuenta que al imprimir la pieza habrá variaciones dimensionales entre el diseño 3D y la pieza, por lo que al diseñar los orificios será necesario aplicar una tolerancia. Además, el orificio debe ser lo suficientemente largo para la instalación de la inserción, considerando también la longitud extra de la protuberancia del tornillo. Otra cosa a considerar relacionada con el diseño es el grosor de la pared; intente aplicar valores suficientemente altos para que al mecanizar el orificio, no entre en el relleno de la pieza.

Imagen 4: Inserción de la inserción por calor. Fuente: Markforged.

En cuanto a la instalación, es muy importante asegurar ciertos aspectos como el posicionamiento y la velocidad de operación. Siempre asegúrese de que la inserción esté, en la medida de lo posible, centrada y perpendicular al orificio. Esto se aplica a inserciones por calor, presión o roscadas, ya que la inserción puede llevar a roscado cruzado y daño de la rosca o incluso resultar en una posterior inserción incorrecta del tornillo de conexión. Teniendo en cuenta que las piezas son de plástico y la inserción es un elemento metálico, afectará a la velocidad de instalación, ya que la dureza del metal puede dañar las piezas impresas. Por eso la velocidad deberá controlarse para no dañar las paredes del orificio.

Como sabemos, la impresión 3D está en plena evolución y soluciones como esta son las que marcan la diferencia a la hora de obtener piezas con mayor complejidad y que responden con más precisión a las necesidades de la industria.