Explicación del extrusor directo:función, aplicaciones y materiales compatibles

Una extrusora directa es un tipo de mecanismo extrusor de impresora 3D que alimenta directamente el filamento al conjunto del extremo caliente de una máquina FDM® (modelado por deposición por fusión) o FFF (fabricación de filamentos fundidos), sin la necesidad de tubos o cables Bowden adicionales. Se utiliza comúnmente en impresoras 3D de accionamiento directo FDM® de escritorio. La extrusora directa consta de:un motor paso a paso, un engranaje impulsor y un brazo tensor montado directamente encima del extremo caliente. Cuando el motor gira, el engranaje impulsor agarra el filamento y lo empuja hacia abajo hacia el extremo caliente, donde se funde y se deposita en la plataforma de construcción capa por capa. Las extrusoras directas son conocidas por su control preciso del filamento, lo que permite una mejor calidad de impresión, especialmente con materiales flexibles o blandos. Son adecuados para una amplia gama de materiales de filamentos, incluidos:PLA, ABS, PETG y TPU.

Este artículo analizará qué es una extrusora directa, incluido su uso, cómo funciona y los materiales adecuados para ella.

¿Qué es una extrusora directa?

Una extrusora directa es un dispositivo mecánico que se ubica directamente encima del extremo caliente de la impresora y le alimenta filamento, controlando la velocidad de dispensación y los eventos de inicio/parada empujando el filamento hacia el extremo caliente o retirándolo para finalizar la operación de impresión.

Una ilustración de una extrusora y un hotend

¿Cómo funciona una extrusora directa?

Una extrusora directa es un mecanismo de alimentación motorizado que empuja el filamento y se encuentra directamente encima del extremo caliente. El proceso es el siguiente:

1. La función principal del mecanismo es empujar el filamento hacia el extremo caliente. Esto da como resultado el flujo de material de construcción fundido a medida que se aplica a la mesa de construcción o a las capas del modelo anterior. El caudal se mide con precisión mediante el motor de la extrusora. El filamento se empuja hacia la zona calentada y hace avanzar el polímero ya fundido fuera de la boquilla a medida que avanza la construcción.
2. La acción secundaria y muy crítica del extrusor es retraer ligeramente el filamento. Corta limpiamente la conexión entre el hot end y el modelo construido cuando el hot end debe reposicionarse para reiniciar la construcción. Este aspecto es fundamental para la calidad del modelo, ya que la separación limpia al final de un período de construcción debe realizarse sin que el material residual forme un hilo (cordón) adherido a la sección completa y sin que se produzcan goteos o manchas durante el movimiento posterior.

¿Para qué sirve una extrusora directa?

Las extrusoras directas aportan beneficios al proceso de impresión 3D que se consideran importantes. Como resultado, es común que las máquinas se vendan o se conviertan a una configuración de extrusor directo, ya que ofrece la mayor flexibilidad en términos de:tipos de filamentos y aditivos, calidad de construcción y cargas de mantenimiento.

¿Cuáles son los diferentes materiales compatibles con una extrusora directa?

Los diferentes materiales que son compatibles con las extrusoras directas se enumeran y analizan a continuación:

1. ABS

El ABS (acrilonitrilo butadieno estireno) es un filamento ampliamente explotado, del que se ha informado ampliamente que se alimenta de forma óptima mediante extrusión directa en impresoras FDM® (modelado por deposición por fusión) y FFF (fabricación de filamentos fundidos). Las extrusoras directas son simplemente mejores en el manejo del ABS debido a su control preciso del filamento y a su inicio/parada constante y extrusión constante.

El ABS exhibe excelentes propiedades de fluidez, lo que le permite depositarse con precisión y adherirse bien para formar el objeto deseado. El ABS ofrece varios beneficios en los resultados de la impresión 3D, incluida alta resistencia, durabilidad y resistencia al calor, lo que lo hace adecuado para prototipos funcionales, piezas moderadamente estresadas y productos de uso final.

Estos materiales se pueden posprocesar lijando, pintando y alisando con disolvente para ofrecer el mejor acabado superficial posible.

Para obtener más información, consulte nuestra guía completa sobre ABS (acrilonitrilo butadieno estireno).

2. PLA

El PLA (ácido poliláctico) es otro filamento muy utilizado que es compatible con la impresión por extrusión directa FDM® y FFF. Ofrece el beneficio de ser de origen biológico y biodegradable. Las extrusoras directas son adecuadas para manipular PLA debido a un control más preciso del filamento y un inicio/parada y extrusión consistentes. Este material también exhibe excelentes propiedades de flujo cuando los parámetros están bajo buen control, lo que permite depositarlo con precisión y unirlo bien para formar el objeto deseado.

El PLA es conocido por su facilidad de uso, baja deformación, mínimo olor durante la impresión y amplia gama de colores. Se utiliza comúnmente para:creación de prototipos, proyectos de aficionados, fines educativos y productos de consumo debido a su biodegradabilidad y respeto al medio ambiente. No se encuentra entre los materiales de mayor resistencia y se utiliza mejor para confirmar la forma y el tamaño que para la creación de prototipos estructurales, funcionales o de evaluación de campo.

Para obtener más información, consulte nuestra guía completa sobre ¿Qué es el material PLA?

3. nailon

El nailon (poliamida) es un material de filamento capaz y útil en ingeniería. Se puede configurar para que funcione eficazmente en extrusión directa cuando se toman consideraciones específicas para adaptar sus propiedades. Las extrusoras directas con filamento de nailon ofrecen el mismo control preciso del filamento a través de un inicio/parada constante y capacidades de extrusión estables como con otros filamentos.

El filamento de nailon se funde a temperaturas de extrusión más altas, que oscilan entre 230 y 260 °C, para lograr características de flujo adecuadas. Esto puede resultar en dificultades en la extrusión directa ya que existe un mayor riesgo de acumulación de calor en la extrusora cuando el enfriamiento es insuficiente o el perfil de construcción requiere una extrusión lenta. Este filamento tiende a absorber la humedad del ambiente, lo que puede provocar problemas de impresión a medida que el agua se evapora en el extremo caliente y el material extruido. Se producirán burbujas y una mala adhesión si el filamento no se seca nuevamente antes de usarlo.

A pesar de estos desafíos, el nailon ofrece excelente resistencia mecánica, flexibilidad y resistencia química. Esto lo hace muy adecuado para piezas funcionales, prototipos de ingeniería y aplicaciones que requieren resistencia al estrés, durabilidad al desgaste y tolerancia al impacto. 

Para obtener más información, consulte nuestra guía completa sobre ¿Qué es el filamento de nailon?

4. CADERAS

HIPS (poliestireno de alto impacto) es un filamento que se utiliza ampliamente en la impresión 3D por extrusión directa, lo que nuevamente ofrece un control preciso de inicio y retracción del filamento y una calidad de extrusión constante.

HIPS exhibe buenas propiedades de flujo cuando los parámetros se ajustan adecuadamente, lo que permite que se adhiera bien y se deposite con precisión capa por capa. Este material es apreciado en la construcción de modelos por su alta resistencia al impacto, estabilidad dimensional y (particularmente) su fácil posprocesamiento. Se obtienen excelentes resultados cosméticos lijando y pintando. Los modelos se pueden soldar fácilmente con disolventes, lo que los hace adecuados para una amplia gama de aplicaciones de creación de prototipos y modelado.

Se utiliza habitualmente como material de soporte en aplicaciones de impresión 3D más complejas, en las que se puede disolver utilizando una solución de D-limoneno después de la impresión. Esto deja el material primario intacto. Tenga en cuenta que esto no se aplica a todos los materiales de construcción primarios, por lo que se requiere cuidado.

Para obtener más información, consulte nuestra guía completa sobre HIPS.

5. TPU

El TPU (poliuretano termoplástico) es un filamento flexible y elastomérico que se beneficia de la impresión 3D por extrusión directa. Las extrusoras remotas pueden tener problemas con la compresión del material en la línea de suministro, particularmente con grados más blandos de este polímero. 

El TPU exhibe una excelente elasticidad y flexibilidad. Sin embargo, en estado líquido, se puede depositar con precisión y unir bien para formar piezas flexibles como:juntas, sellos, componentes de ropa/marca y tecnología portátil. Es conocido por su durabilidad, resistencia a la abrasión y capacidad para soportar flexiones, estiramientos y lavados sin deformarse. Se utiliza comúnmente en aplicaciones que requieren superficies suaves al tacto, absorción de impactos/vibraciones y resistencia al impacto.

La configuración efectiva de la impresora, incluida la alineación de la ruta del filamento y el ajuste de la tensión del extrusor, es importante para obtener resultados exitosos en una configuración directa del extrusor.

6. PETG

PETG (tereftalato de polietileno glicol) es un filamento particularmente duradero y muy versátil que se utiliza ampliamente en la impresión por extrusión directa FDM®/FFF. Las extrusoras directas son adecuadas para manipular filamento PETG, aunque se considera robusto en las extrusoras indirectas. Esto se debe a que el filamento es bastante rígido y se adapta a ligeras irregularidades en la alimentación.

Ofrece propiedades de flujo casi ideales, deposición precisa y buena unión para generar resultados impresos de alta calidad. Es apreciado por su alta resistencia al impacto, transparencia y resistencia química. También ofrece una baja contracción, una deformación mínima y una impresión considerablemente más sencilla en comparación con otros materiales comunes como el ABS.

El PETG se utiliza habitualmente siempre que se requieren piezas robustas y visualmente atractivas, como componentes mecánicos sometidos a tensión y piezas funcionales. Una cuidadosa configuración de la impresora, incluidos los métodos de adhesión a la base y los ajustes de temperatura, es fundamental para una impresión 3D exitosa con PETG.

7. AAS

ASA (acrilonitrilo estireno acrilato) es un filamento termoplástico duradero que tiene similitudes químicas, térmicas y mecánicas con el ABS. Además, en comparación, ofrece una mayor resistencia a la intemperie y estabilidad a los rayos UV. Esto lo hace más adecuado para aplicaciones en exteriores. 

El ASA exhibe propiedades de flujo beneficiosas, como una baja viscosidad fundida, lo que permite depositarlo con precisión y unirlo fácilmente entre capas y dentro de ellas para formar impresiones robustas. El ASA es apreciado por su buena capacidad cosmética y excelentes propiedades mecánicas, que incluyen:alta resistencia al impacto y estabilidad dimensional, buena resistencia química y estabilidad térmica. Esto lo hace adecuado para una gama inusualmente amplia de aplicaciones, que incluyen:piezas de automóviles, señalización y accesorios/accesorios para exteriores. 

Una buena configuración de la impresora, incluida la temperatura de la cama caliente y un recinto para la estabilidad de la temperatura (Nota:FDM® es más efectivo que FFF con ASA), es importante para una impresión 3D exitosa con ASA.

8. Filamentos especiales

Filamentos especiales es un término general que se refiere a una amplia gama de materiales y compuestos avanzados utilizados en la impresión 3D. Cada uno tiene propiedades, aplicaciones y desafíos característicos. Las extrusoras directas pueden manejar prácticamente todos los filamentos especiales de forma eficaz. Estos filamentos especiales son:

1. Filamentos flexibles (p. ej., TPU, TPE): Estos filamentos son conocidos por su elasticidad y flexibilidad para imprimir artículos suaves al tacto como:fundas de teléfonos, plantillas de zapatos y sellos/juntas flexibles. Las extrusoras directas pueden manejar distintos grados de flexibilidad mejor que las soluciones de alimentación remota.
2. Filamentos de alta temperatura (p. ej., PEEK, PEI): Estos filamentos pueden funcionar a temperaturas elevadas en aplicaciones de ingeniería exigentes. Las extrusoras directas con extremos calientes totalmente metálicos y lechos calentados pueden manejar filamentos de alta temperatura de manera efectiva. Sin embargo, el enfriamiento del extrusor y el aislamiento térmico del extremo caliente ofrecen un riesgo considerablemente menor de fluencia de calor o sobrecalentamiento del extrusor.
3. Filamentos compuestos (p. ej., fibra de carbono, rellenos de metal): Estos contienen aditivos como:fibra de carbono, partículas metálicas o fibras de madera para mejorar las propiedades mecánicas y/o estéticas. Las extrusoras directas pueden procesar filamentos compuestos con pocas dificultades.
4. Filamentos conductores (p. ej., grafeno, negro de humo, plata): Estos contienen aditivos conductores que permiten la impresión de:circuitos, sensores y otros componentes electrónicos. Las extrusoras directas pueden producir filamentos conductores con precisión en general.
5. Filamentos que cambian de color: Estos materiales cambian de color en respuesta a la temperatura o la exposición a la luz ultravioleta, creando objetos impresos dinámicos y visualmente impactantes. Las extrusoras directas pueden manejar estos filamentos sin dificultad.
6. Filamentos de soporte solubles (p. ej., PVA, HIPS): Estos sirven como materiales secundarios para soportar estructuras para impresiones y voladizos complejos. Se disuelven en agua o solución de limoneno después de la impresión y las extrusoras directas pueden llevarlos con precisión al punto de construcción.

9. Compuesto PLA

Los compuestos de PLA combinan PLA (ácido poliláctico) con una variedad de aditivos que mejoran sus propiedades. Las extrusoras directas pueden manejar eficazmente filamentos compuestos de PLA, de forma muy similar a los filamentos de PLA básicos.

Algunos tipos comunes de filamentos compuestos de PLA, todos los cuales funcionan bien con extrusoras directas, son:

1. PLA relleno de madera, para una apariencia natural similar a la madera y piezas con una superficie texturizada y un patrón de vetas de madera. 
2. PLA relleno de metal con polvo de bronce, cobre o aluminio añadido para producir piezas con brillo y peso metálicos.
3. PLA de fibra de carbono, con hebras cortas de fibra de carbono que mejoran las propiedades mecánicas para prototipos funcionales, piezas mecánicas y aplicaciones de ingeniería/estresadas.
4. El PLA que brilla en la oscuridad, con aditivos fosforescentes que absorben y emiten luz, hace que brillen en la oscuridad para aplicaciones decorativas.
5. PLA relleno de mármol, con polvo de mármol finamente molido, que confiere a los objetos impresos una apariencia y textura similar al mármol.

Todos los filamentos compuestos de PLA se pueden extruir, generalmente con configuraciones de impresión de PLA estándar en impresoras 3D de extrusión directa. Sin embargo, es posible que sea necesario ajustar los ajustes de temperatura y muchos aditivos aumentan el riesgo de obstrucción del extremo caliente o deposición de material y deslizamiento en el extrusor.

Si bien las extrusoras directas pueden alimentar de manera confiable una amplia gama de materiales de filamentos, es posible que ciertos materiales no sean adecuados para todos esos equipos. Algunos filamentos de alta temperatura, como PEEK y PEI, pueden requerir extrusoras directas especializadas capaces de tolerar temperaturas extremadamente altas más allá de las típicas. Las extrusoras directas pueden hacerlo, y con un aislamiento térmico agresivo de la extrusora para reducir la fluencia de calor. Los filamentos que contienen aditivos abrasivos, como fibra de carbono o partículas metálicas, pueden desgastar los engranajes del extrusor con el tiempo. Los filamentos excesivamente blandos o elásticos pueden causar problemas de alimentación o una extrusión inconsistente debido a su incapacidad para agarrar el engranaje impulsor de manera efectiva. Este no es un problema particular de la extrusora directa, pero el mayor riesgo de fluencia de calor en las extrusoras directas puede empeorarlo considerablemente. Los filamentos con propiedades o composiciones inusuales pueden no ser compatibles con las extrusoras directas estándar, ya que sus requisitos específicos pueden exigir sistemas de extrusión especializados o inusuales o modificaciones en la configuración de la impresora.

¿Cuáles son las ventajas de una extrusora directa?

Las extrusoras directas ofrecen una variedad de ventajas en la mayoría de las aplicaciones de impresión 3D, como:

1. Proporciona mayor precisión y repetibilidad en la alimentación del filamento, lo que da como resultado una extrusión consistente, eventos de inicio/parada más nítidos y, en general, una mejor calidad de impresión.
2. Pueden hacer frente a una gama más amplia de tipos de filamentos, incluidos materiales flexibles y exóticos, sin necesidad de modificaciones adicionales. Sólo requieren controles de mantenimiento más regulares para detectar obstrucciones o desgaste incipientes en el mecanismo del extrusor.
3. Suelen ser más compactos que los extrusores Bowden, lo que los hace atractivos para impresoras 3D de escritorio con espacio limitado.
4. Son una solución más simple con menos componentes expuestos al desgaste/movimiento y posibles puntos de falla. Esto reduce la carga de configuración, mantenimiento y resolución de problemas.
5. Facilite configuraciones de retracción más rápidas, lo que reduce los riesgos de encordado y mejora la velocidad de impresión y la capacidad de respuesta.

¿Cuáles son las desventajas de una extrusora directa?

A pesar de sus ventajas, las extrusoras directas también tienen algunas limitaciones que hay que tener en cuenta, entre ellas:

1. Mayor masa en movimiento, ya que el montaje directo del mecanismo extrusor agrega peso al cabezal de impresión en movimiento. Esto reduce la capacidad de acelerar y desacelerar, aumentando marginalmente los tiempos de impresión.
2. La proximidad del motor al extremo caliente puede aumentar considerablemente el riesgo y las consecuencias de fluencia de calor, en la que el filamento se ablanda prematuramente y potencialmente obstruye la boquilla. Esto puede resultar muy perjudicial para las impresiones.

¿Qué aplicaciones de impresión 3D se benefician de las extrusoras directas?

Las extrusoras directas son adecuadas para prácticamente todas las aplicaciones de impresión 3D, dado su rendimiento generalmente mejor en precisión y repetibilidad del control de extrusión de filamentos.

¿El extrusor directo forma parte de la impresora 3D?

Sí, una extrusora directa es un componente clave en cualquier máquina FDM®/FFF. La extrusora directa es el aspecto más crítico de una impresora 3D, ya que tiene la mayor influencia en:

1. Resistencia del modelo, controlando la alimentación del material para garantizar una buena adherencia.
2. Cosmética del modelo, al controlar la regularidad y el inicio y fin del flujo de material de construcción para lograr una resolución de construcción/espesor de capa consistente y facilitar los puntos de inicio y finalización nítidos en la aplicación del material al modelo.
3. La selección de filamentos, ya que las extrusoras directas presentan menos limitaciones en cuanto al tipo de filamento y aditivos que las extrusoras menos directas tipo Bowden.

¿Cuál es la diferencia entre Direct Drive y Bowden?

Se coloca un extrusor directo directamente encima del extremo caliente y le introduce material sin componentes intermedios más que cierto grado de aislamiento térmico para reducir el efecto de fluencia térmica que puede alterar el filamento dentro del mecanismo del extrusor al ablandarlo.

Una extrusora Bowden coloca un tubo entre la extrusora y el extremo caliente, como guía para la entrega del filamento bajo compresión, empujado hacia afuera por la extrusora. El tubo puede ser corto, descrito como una extrusora Bowden de accionamiento directo con la extrusora colocada a poca distancia por encima del extremo caliente pero físicamente separada de él. Puede ser mucho más largo, colocando el extrusor en el chasis de la máquina y conectándolo al hot end mediante un tubo Bowden largo.

Resumen

Este artículo presentó las extrusoras directas, las explicó y analizó sus diversas aplicaciones y cómo funcionan. Para obtener más información sobre las extrusoras directas, comuníquese con un representante de Xometry.

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Dean McClements

Dean McClements se graduó con honores en Ingeniería Mecánica y cuenta con más de dos décadas de experiencia en la industria manufacturera. Su trayectoria profesional incluye puestos importantes en empresas líderes como Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace y Hyster-Yale, donde desarrolló un profundo conocimiento de los procesos de ingeniería y las innovaciones.

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