Extrusión de materiales en impresión 3D:definición, historia, aplicaciones y flujo de trabajo

En el contexto de la impresión 3D, la extrusión es el proceso mediante el cual una suspensión o pasta semilicuada se exprime a través de un orificio o matriz para formar una línea del material con forma cilíndrica (u otra). Luego se endurece o cura, permitiendo colocar encima una nueva capa de material extruido. Tanto el modelado por deposición fundida (FDM) como la fabricación con filamento fundido (FFF) imprimen utilizando esta técnica. 

Aunque la primera versión del proceso FDM de S. Scott Crump utilizó una pistola de pegamento, la tecnología se ha perfeccionado para volverse mucho más precisa y flexible. La extrusión de materiales puede emplear una amplia variedad de materiales, como filamentos de polímeros, gránulos de polímeros, filamentos y gránulos de cera, suspensiones cerámicas y filamentos de polvo metálico aglutinados con polímeros.

Este artículo definirá y analizará el proceso, la historia y las aplicaciones de la extrusión de materiales en relación con la impresión 3D.

¿Qué es la extrusión de material en la impresión 3D?

En el ámbito de la impresión 3D, el proceso de extrusión consiste en empujar el material listo para adherirse a través de una boquilla calentada para depositarlo en capas sucesivas. Cada capa es efectivamente una “porción” 2D del objeto 3D. La mayoría de las impresoras calientan un polímero o cera hasta obtener un estado similar al gel para que el material sea imprimible. Esos materiales pueden modificarse con aditivos que les den propiedades deseables ya sea en estado gelificado (es decir, controladores de viscosidad) o en estado sólido.  

Para obtener más información, consulte nuestra guía sobre lo que debe saber sobre las impresoras 3D.

¿Qué materiales se utilizan en la extrusión de materiales?

Las máquinas de extrusión de materiales se pueden diseñar para imprimir lo siguiente:

1. Los polímeros como PLA, ABS, ASL y nailon son comunes y reciben una amplia gama de aditivos. Algunos otros son técnicamente ceras, pero funcionan de manera muy similar a los polímeros.
2. La cerámica se imprime en 3D para formar cerámica (generalmente artística). Las boquillas para este propósito tienen entre 10 y 50 veces el tamaño de las extrusoras de plástico.
3. El hormigón y diversos materiales de construcción han atraído recientemente la atención como opciones de impresión 3D. La idea es imprimir edificios enteros y el proceso se diferencia del FDM principalmente solo en la escala.

¿Dónde se utiliza la extrusión de materiales?

La extrusión de materiales se utiliza principalmente en la creación de prototipos FDM. Este método de fabricación aditiva es más popular que otros para este fin porque es la opción más barata y accesible. Los prototipos FDM se utilizan en diversas industrias, incluido el marketing y el desarrollo de productos. Las piezas se producen rápidamente y suelen ser lo suficientemente funcionales como para que los desarrolladores prueben las funciones (siempre que no midan menos de 1 o 2 mm). Sin embargo, los prototipos no son piezas de alto rendimiento.

¿Cuándo surgió la primera tecnología de extrusión de materiales?

La tecnología de extrusión de material fue predicha por primera vez por un autor de ciencia ficción, Murray Leinster, en su cuento de 1945 “Things Pass By”. Sin embargo, el proceso real tomó forma práctica a fines de la década de 1980 y fue comercializado por Stratasys. Esto se convirtió en la columna vertebral del sector de la impresión 3D.

¿Cuál es el nombre registrado para la extrusión de materiales?

Stratasys registró la extrusión de materiales con el nombre de “modelado por deposición por fusión” o FDM. Aunque las patentes han expirado, todavía tienen derechos sobre el nombre, aunque Stratasys no parece vigilarlo de cerca. Muchos otros fabricantes llaman a su proceso “fabricación de filamentos fundidos” (FFF), aunque el apodo FDM se entiende más ampliamente. 

¿Qué es el proceso de extrusión de materiales?

La extrusión de materiales en el ámbito de la impresión 3D implica forzar la materia prima de polímero o cera a través de una boquilla con temperatura controlada. Esto suaviza el material a un estado fluido viscoso o casi fluido para que pueda aplicarse a una mesa de construcción o a una capa de modelo impreso existente. Cada capa es efectivamente bidimensional, pero se combinan para crear una construcción 3D.

El polímero (o cera) se calienta en la boquilla hasta que alcanza un estado gelificado. El material debe estar lo suficientemente derretido como para flexionarse y adherirse a los materiales circundantes (más fríos), pero no tan líquido que se salga del punto de aplicación. Luego, el material extruido se enfría y solidifica rápidamente para que se pueda aplicar la siguiente capa encima.

¿Cuáles son las ventajas de la extrusión de materiales?

La extrusión de material, tal como se aplica a la impresión 3D FDM/FFF, ofrece varias ventajas:

1. Los polímeros se pueden imprimir a bajas temperaturas, por lo que el equipo de impresión es sencillo y económico. 
2. Es necesario muy poco mantenimiento del proceso. Una vez optimizada la configuración de la máquina, una impresora puede funcionar sin supervisión durante períodos muy prolongados.
3. Los materiales extruibles se encuentran entre los más baratos del sector de la impresión 3D. Están disponibles en una amplia gama de proveedores competidores.
4. Los modelos pueden alcanzar suficientes estándares estéticos y mecánicos para ser útiles en una amplia gama de aplicaciones.
5. Las impresoras FDM/FFF son más baratas y funcionan con menores gastos generales que otras impresoras 3D. Esto les proporciona el precio más bajo de cualquier sistema de impresión 3D.

¿Cuáles son las desventajas de la extrusión de materiales?

Las desventajas de la extrusión de material son:

1. Las piezas impresas mediante extrusión de material pueden presentar tan solo un 20 % de la resistencia típica del material. Los modelos tienden a ser intrínsecamente débiles.
2. El acabado cosmético a menudo deja mucho que desear. FDM no puede imprimir a altas resoluciones ni en la dirección X-Y ni en el eje Z. Los equipos más caros son mejores que los sistemas más baratos. Sin embargo, el proceso es más adecuado para modelos relativamente toscos que carecen de detalles finos y no necesitan acabados superficiales precisos. 
3. Debido a que el material está caliente cuando se aplica, muchos modelos retienen tensiones internas que los distorsionan a medida que se enfrían. Las impresoras más caras tienen cámaras de impresión con calefacción que pueden ayudar a reducir este efecto.
4. La unión dentro de la capa es bastante pobre en algunos materiales. Esto da como resultado propiedades severamente anisotrópicas. Algunos materiales se adhieren mejor que otros, pero siempre existen compensaciones en sus propiedades. 

¿Cuál es la diferencia entre material jetting y extrusión de material?

La inyección de material y la extrusión de material se diferencian en varios aspectos:

1. Proceso: La extrusión aplica material parcialmente derretido en líneas y puntos. Tiene una resolución mínima de puntos de entre 0,5 mm y 1 mm de diámetro (dependiendo de la impresora y del plástico o cera específica). Los procesos de Material Jetting son un orden de magnitud más precisos y aplican resinas líquidas con un tamaño de punto a menudo inferior a 0,05 mm.
2. Construcción de capas: Los sistemas basados en extrusión utilizan una única boquilla aplicadora (en cualquier momento dado) para construir un modelo, lo que limita la velocidad de construcción. Los procesos de inyección de material utilizan cabezales de impresión de inyección de tinta de hasta 100 mm de ancho para "dibujar" franjas anchas de una capa en una sola pasada de mesa. Este ancho adicional hace que la construcción de cada capa sea considerablemente más rápida.
3. Compilaciones de capa Z: Los sistemas basados en extrusión tienen la ventaja de construir capas relativamente gruesas. Rara vez son más delgados que 0,1 mm y, a menudo, pueden tener hasta 0,5 mm de espesor. Los espesores de la capa de material Jetting son generalmente de 16 µm a 50 µm. Esto significa que se necesitan más capas para aumentar la altura Z, lo que hace que las construcciones sean generalmente más lentas, a pesar de que cada capa se imprime rápidamente.
4. Costo del equipo: La tecnología FDM/FFF basada en extrusión es simple, lo que convierte a las máquinas en una de las impresoras 3D más baratas. El material Jetting es delicado y complejo, por lo que el equipo es generalmente entre 1 y 2 órdenes de magnitud más caro que FDM/FFF.

Resumen

Este artículo revisó el concepto de extrusión de materiales tal como se aplica a la tecnología de impresión 3D. Para obtener más información sobre la extrusión de materiales y determinar si es la tecnología adecuada para su aplicación, comuníquese con un representante de Xometry.

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