Impacto de los Parámetros de Impresión FFF en la Resistencia Mecánica de Piezas Impresas en 3D

Este estudio tiene como objetivo investigar la influencia de los parámetros de impresión 3D, específicamente usando la técnica de Fabricación por Filamento Fundido (FFF), en las características mecánicas de las piezas producidas. El análisis involucró el examen de 495 muestras impresas, con variaciones en parámetros clave como temperatura de extrusión, velocidad de impresión, densidad, geometría de relleno, altura de capa y número de paredes.

Se empleó la impresora BCN3D Epsilon W50, usando materiales comúnmente utilizados en esta tecnología: PLA, PETG y ABS. La evaluación de la resistencia mecánica se realizó mediante pruebas de tracción uniaxial, considerando los diversos parámetros. Este estudio se ha llevado a cabo probando un total de 495 especímenes siguiendo el estándar UNE-EN ISO 527-2 Tipo 1A, adhiriéndose al modelo de prueba de moldeo o extrusión de plásticos.

La expectativa es que un aumento en la temperatura de extrusión, densidad y número de paredes resultará en piezas impresas con propiedades mejoradas. Como consecuencia, una mayor velocidad de impresión y altura de capa reducida pueden potencialmente llevar a una disminución en la resistencia mecánica, aunque el alcance preciso de su impacto permanece incierto.

Hipótesis Principales

• Tipo de Relleno: Se hipotetiza que el relleno tipo Grid (cuadrícula) ofrece resistencia superior comparado con Gyroid y Triangular debido a su estructura de cuadrícula interconectada.
• Densidad de Relleno: Se anticipa que una mayor densidad de relleno contribuya a mayor resistencia mecánica, ya que más material dentro de la pieza debería mejorar su capacidad para soportar estrés.
• Altura de Capa: Se presume que una menor altura de capa afecta adversamente la resistencia mecánica debido a debilidades en la adhesión entre capas.
• Velocidad de Impresión: Se predice que una velocidad de impresión elevada resulte en disminución de calidad de la pieza debido a inestabilidad en la extrusión y unión menos efectiva entre capas, potencialmente debilitando 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 podrían resultar en extrusión en frío con pérdida de material.
• Número de Paredes: Se sugiere que un mayor número de paredes aumente significativamente la resistencia mecánica de las piezas impresas, proporcionando mayor estabilidad estructural.

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Resultados

En la siguiente sección, los gráficos muestran varios resultados y conclusiones. Para análisis detallado y datos, consulte el whitepaper.

Efecto del Tipo de Relleno

Analizando los datos obtenidos y viendo que, dependiendo del material, cada tipo de relleno afecta de manera 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 los especímenes de prueba de ABS como de PETG con relleno gyroid producen las cargas más altas, la diferencia y variabilidad comparada con PLA nos impiden afirmar que este tipo de relleno es el mejor en términos de mejorar propiedades mecánicas. Por lo tanto, la premisa desde la cual comenzó esta prueba, esperando un mejor rendimiento del relleno grid seguido del triangular y finalmente el gyroid, es incorrecta.

Efecto de la Densidad de Relleno

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

Efecto de la Altura de Capa

Como se esperaba, el aumento en la altura de capa proporciona mejor rendimiento para las piezas impresas. Esto es porque, como se mencionó anteriormente, hay menos 'debilidades' a lo largo de la pieza. Estas debilidades son las uniones de cada una de las capas impresas, ya que la adhesión entre capas nunca tendrá la misma resistencia mecánica que el material mismo.

Efecto de la Velocidad de Impresión

Después del análisis de los datos, concluimos que así como una mayor velocidad de impresión aumenta la inestabilidad en la extrusión de material y, por lo tanto, aumenta la posibilidad de imperfecciones en la pieza impresa, llevando a menor resistencia mecánica, también existe un límite inferior en esta velocidad de impresión. Es decir, no es cierto que una menor velocidad de impresión resulte en mayor resistencia mecánica. Cada material tiene un rango de temperatura de trabajo óptimo para 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 causando extrusión incorrecta.

Para una mejor comprensión de la siguiente conclusión, una breve explicación de la temperatura de impresión (temperatura de trabajo) de los materiales es necesaria. Como se explicó anteriormente, la velocidad de impresión afecta la extrusión del filamento porque esta velocidad es la tasa a la que el filamento pasa por el bloque de calor. Esto implica que la temperatura del bloque de calor (temperatura de impresión) debe ser más alta que la temperatura 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 los materiales se extruyen típicamente en FFF es mucho más alta que la temperatura de fusión del material. Por lo tanto, si la velocidad de impresión es muy baja, el material puede degradarse durante la extrusión y, por lo tanto, perder propiedades del material mismo, incluyendo propiedades mecánicas.

Temperatura de Impresión

Teniendo en cuenta los datos obtenidos y habiendo analizado previamente la velocidad de impresión y cómo varios parámetros como densidad o altura de capa afectan, 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 con la velocidad de impresión, la temperatura de impresión afecta a cada material en diferente medida y no siempre de manera fácilmente predecible.

En el caso de PLA, es cierto que la tendencia es la esperada, pero con ABS y PETG no lo es. 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 esta prueba, hemos podido observar cómo claramente cada aumento en el número de paredes aumenta la resistencia a la tracción de los especímenes en cada uno de los materiales, al igual que en las pruebas 2.2 (densidad de relleno) y 2.3 (altura de capa). En el caso de PETG, la evolución ha sido mucho más clara en cada uno de los incrementos, pero esto puede deberse a las desviaciones de cada una de las otras pruebas. Tiene sentido, y es como se esperaba, que cada aumento en el número de paredes aumente la resistencia a la tracción de la misma manera. Es decir, cada aumento en paredes hace que la fuerza máxima aumente el mismo valor consistentemente. Esto se puede observar claramente en la prueba de especímenes de PETG, donde cada vez que se añade una pared a los especímenes, la fuerza máxima aumenta en un 30%. Tomamos PETG como ejemplo porque deducimos, después de ver la desviación de las pruebas, que ha sido el que ha sufrido menor influencia de agentes externos.

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