Impacto de los parámetros de impresión FFF en la resistencia mecánica de las piezas impresas en 3D

Este estudio tiene como objetivo investigar la influencia de los parámetros de impresión 3D, específicamente utilizando la técnica de fabricación de filamentos fundidos (FFF), en las características mecánicas de las piezas producidas. El análisis implicó examinar 495 muestras impresas, con variaciones en parámetros clave como la temperatura de extrusión, la velocidad de impresión, la densidad, la geometría del relleno, la altura de la capa y el número de paredes.

Se empleó la impresora BCN3D Epsilon W50, utilizando materiales comúnmente utilizados en esta tecnología:PLA, PETG y ABS. La evaluación de la resistencia mecánica se realizó mediante ensayos de tracción uniaxiales, considerando los diversos parámetros. Este estudio se ha realizado ensayando un total de 495 probetas siguiendo la norma UNE-EN ISO 527-2 Tipo 1A, ciñéndose al modelo de ensayo de moldeo o extrusión de plástico.

La expectativa es que un aumento en la temperatura de extrusión, la densidad y el número de paredes dará como resultado que las piezas impresas exhiban propiedades mejoradas. Como consecuencia, una mayor velocidad de impresión y una altura de capa reducida pueden conducir potencialmente a una disminución de la resistencia mecánica, aunque el alcance preciso de su impacto sigue siendo incierto.

Principales hipótesis

• Tipo de relleno :Se supone que el relleno Grid ofrece una resistencia superior en comparación con los rellenos Gyroid y Triangular debido a su estructura de rejilla interconectada.
• Densidad de relleno: Se prevé que una mayor densidad de relleno contribuya a una mayor resistencia mecánica, ya que más material dentro de la pieza debería mejorar su capacidad para soportar tensiones.
• Altura de capa: Se supone que una altura de capa más baja afecta negativamente a la resistencia mecánica debido a la debilidad en la adhesión entre capas.
• Velocidad de impresión: Se prevé que una velocidad de impresión elevada dará como resultado una menor calidad de las piezas debido a la inestabilidad de la extrusión y una unión menos eficaz entre capas, lo que podría debilitar la resistencia mecánica.
• Temperatura de impresión: Se espera que un rango de temperatura más alto mejore la unión entre capas, mejorando así la resistencia mecánica de las piezas. Por el contrario, temperaturas más bajas pueden provocar una extrusión en frío con pérdida de material.
• Número de paredes: Se sugiere un mayor número de paredes para aumentar significativamente la resistencia mecánica de las piezas impresas, proporcionando una mayor estabilidad estructural.

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Resultados

En la siguiente sección, los gráficos muestran varios resultados y conclusiones. Para obtener datos y análisis detallados, consulte el documento técnico.

Efecto sobre el tipo de relleno

Analizando los datos obtenidos y viendo que, según el material, cada tipo de relleno afecta de forma diferente, podemos concluir que el patrón no tiene un efecto significativo o relevante en las propiedades finales de las piezas. Si bien es cierto que tanto las probetas de ABS como las de PETG con relleno giroide producen las cargas más altas, la diferencia y variabilidad en comparación con el PLA nos impide afirmar que este tipo de relleno sea el mejor en términos de mejora de las propiedades mecánicas. Por lo tanto, la premisa de la que partió esta prueba, esperando un mejor rendimiento del relleno de la cuadrícula seguido del triangular y por último del giroide, es incorrecta.

Efecto de la densidad del relleno

Analizando los resultados obtenidos podemos concluir que la premisa establecida antes de la prueba era correcta. Es decir, las propiedades mecánicas de las piezas aumentan en relación al aumento de densidad. Esta afirmación es mucho más clara en PLA y PETG, mientras que en ABS es mucho menos notoria, hasta el punto de no aumentar la resistencia a la tracción entre las probetas con un 60% de relleno y aquellas con un 80%. Esto puede deberse al tipo de estructura polimérica que forma cada uno de los materiales, siendo el PLA y el PETG materiales con estructura cristalina, mientras que esta formulación de ABS tiene una estructura más amorfa. Además, también podemos concluir que aumentar la densidad de las piezas impresas en ABS en más de un 60% no garantiza un mayor rendimiento mecánico.

Efecto de la altura de la capa

Como era de esperar, el aumento en la altura de la capa proporciona un mejor rendimiento para las piezas impresas. Esto se debe a que, como se mencionó anteriormente, hay menos "debilidades" en toda la pieza. Estos puntos débiles son las uniones de cada una de las capas impresas, ya que la adhesión entre capas nunca tendrá la misma resistencia mecánica que el propio material.

Efecto de la velocidad de impresión

Tras el análisis de los datos, concluimos que así como una mayor velocidad de impresión aumenta la inestabilidad en la extrusión del material y, por tanto, aumenta la posibilidad de imperfecciones en la pieza impresa, dando lugar a una peor resistencia mecánica, también existe un límite inferior en esta velocidad de impresión. Es decir, no es cierto que una menor velocidad de impresión dé lugar a una mayor resistencia mecánica. Cada material tiene un rango de temperatura de trabajo óptimo para la impresión. Si la temperatura de trabajo está por debajo de este rango, el material se extruirá en frío, mientras que si la temperatura de impresión está por encima de este rango, el material puede degradarse, cristalizando su estructura polimérica y provocando una extrusión incorrecta.

Para una mejor comprensión de la siguiente conclusión es necesaria una breve explicación de la temperatura de impresión (temperatura de trabajo) de los materiales. Como se explicó anteriormente, la velocidad de impresión afecta la extrusión del filamento porque esta velocidad es la velocidad a la que el filamento pasa a través del bloque térmico. Esto implica que la temperatura del bloque térmico (temperatura de impresión) debe ser superior a la temperatura del punto de fusión del material, ya que tiene que compensar el déficit de transmisión de calor al filamento. En otras palabras, y con esto, concluimos que la temperatura de impresión a la que normalmente se extruyen los materiales en FFF es mucho mayor que la temperatura de fusión del material. Por tanto, si la velocidad de impresión es muy baja, el material puede degradarse durante la extrusión y, por tanto, perder propiedades del propio material, incluidas las mecánicas.

Temperatura de impresión 

Teniendo en cuenta los datos obtenidos y habiendo analizado previamente la velocidad de impresión y cómo afectan diversos parámetros como la densidad o la altura de capa, deducimos que la temperatura de impresión no ayuda significativamente a mejorar las propiedades mecánicas o, más bien, es difícil establecer una constante para controlar el resultado final de la fabricación. Es decir, al igual que ocurre con la velocidad de impresión, la temperatura de impresión afecta a cada material en diferente medida y no siempre de forma fácilmente predecible.

En el caso del PLA es cierto que la tendencia es la esperada, pero con el ABS y el PETG no es así. Lo más probable es que la estructura polimérica de los diferentes materiales y la temperatura de transición vítrea de cada material definan esta línea de tendencia.

Número de paredes

En este ensayo hemos podido observar cómo cada aumento en el número de paredes aumenta claramente la resistencia a la tracción de las probetas en cada uno de los materiales, al igual que en los ensayos 2.2 (densidad de relleno) y 2.3 (altura de capa). En el caso del PETG la evolución ha sido mucho más clara en cada uno de los incrementos, pero esto puede deberse a las desviaciones respecto a cada una de las otras pruebas. Tiene sentido, y es lo esperado, que cada aumento en el número de paredes aumente la resistencia a la tracción de la misma manera. Es decir, cada aumento de paredes hace que la fuerza máxima aumente en el mismo valor de forma constante. Esto se puede observar claramente en el ensayo de probetas de PETG, donde cada vez que se añade una pared a las probetas, la fuerza máxima aumenta en un 30%. Estamos poniendo como ejemplo el PETG porque deducimos, tras ver la desviación de las pruebas, que ha sido el que menos influencia ha sufrido por parte de agentes externos.

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