Extrusión de Material 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 pasta o suspensión semilíquida se exprime a través de un orificio o matriz para hacer una línea cilíndrica (u otra forma) del material. Luego se endurece o cura, permitiendo que una nueva capa de material extruido se coloque encima. Tanto el modelado por deposición fundida (FDM) como la fabricación de filamento fundido (FFF) imprimen usando esta técnica.

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

Este artículo definirá y discutirá el proceso, historia y aplicaciones de la extrusión de material en relación con la impresión 3D.

¿Qué es la Extrusión de Material en Impresión 3D?

En el ámbito de la impresión 3D, el proceso de extrusión significa empujar material listo para unir a través de una boquilla calentada para depositarlo en capas sucesivas. Cada capa es efectivamente un «corte» 2D del objeto 3D. La mayoría de las impresiones calientan ya sea un polímero o cera a un estado gelatinoso para hacer el material imprimible. Esos materiales pueden modificarse con aditivos que les den propiedades deseables ya sea en el estado gelatinoso (controladores de viscosidad) o en el estado sólido.

Para más información, consulte nuestra guía sobre qué saber de las impresoras 3D.

¿Qué Materiales se Usan en la Extrusión de Material?

Las máquinas de extrusión de material pueden diseñarse para imprimir lo siguiente:

1. Polímeros como PLA, ABS, ASL y nylon son comunes y reciben una amplia gama de aditivos. Algunos otros son técnicamente ceras, pero funcionan muy similar a los polímeros.
2. Las cerámicas se imprimen en 3D para formar cerámica (generalmente artística). Las boquillas para este propósito son 10-50 veces el tamaño de los extrusores de plástico.
3. El hormigón y varios materiales de construcción han ganado atención reciente como opciones de impresión 3D. La idea es imprimir edificios enteros, y el proceso difiere de FDM principalmente solo en escala.

¿Dónde se Usa la Extrusión de Material?

La extrusión de material se usa principalmente en prototipado FDM. Este método de fabricación aditiva es más popular que otros para este propósito porque es la opción más barata y accesible. Los prototipos FDM se usan en varias industrias, incluyendo marketing y desarrollo de producto. Las piezas se producen rápidamente y suelen ser lo suficientemente funcionales para que los desarrolladores prueben características (siempre que no sean más pequeñas de 1-2 mm). Los prototipos no son piezas de alto rendimiento, aunque.

¿Cuándo Surgió la Primera Tecnología de Extrusión de Material?

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». El proceso real, sin embargo, tomó forma práctica a finales de los 80 y fue comercializado por Stratasys. Esto se convirtió en la columna vertebral del sector de impresión 3D.

¿Cuál es el Nombre Registrado para la Extrusión de Material?

Stratasys registró la extrusión de material bajo el nombre «modelado por deposición fundida», o FDM. Aunque las patentes han expirado, aún tienen derechos sobre el nombre, aunque Stratasys no parece vigilarlo de cerca. Muchos otros fabricantes llaman a su proceso «fabricación de filamento fundido» (FFF) aunque el término FDM es más ampliamente entendido.

¿Cuál es el Proceso de Extrusión de Material?

La extrusión de material en el ámbito de la impresión 3D implica forzar polímero o cera de materia prima a través de una boquilla con control de temperatura. Esto ablanda el material a un estado viscoso o cuasi-fluido para que pueda aplicarse a una mesa de construcción o 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 alcanzar un estado gelatinoso. El material debe estar lo suficientemente fundido para flexionarse y unirse con los materiales circundantes (más fríos), pero no tan líquido que fluya lejos del punto de aplicación. El material extruido luego se enfría y solidifica rápidamente para que la siguiente capa pueda aplicarse encima.

¿Cuáles son las Ventajas de la Extrusión de Material?

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

1. Los polímeros pueden imprimirse a bajas temperaturas, por lo que el equipo de impresión es simple e económico.
2. Se necesita muy poco mantenimiento del proceso. Una vez optimizados los ajustes de la máquina, una impresora puede funcionar sin supervisión por períodos muy largos.
3. Los materiales extruibles se encuentran entre los más baratos del sector de impresión 3D. Están disponibles de una amplia gama de proveedores competidores.
4. Los modelos pueden alcanzar estándares cosméticos y mecánicos suficientes para ser útiles en una amplia gama de aplicaciones.
5. Las impresoras FDM/FFF son más baratas y operan con menores costos generales que otras impresoras 3D. Esto les da las etiquetas de precio más bajas de cualquier sistema de impresión 3D.

¿Cuáles son las Desventajas de la Extrusión de Material?

Las desventajas de la extrusión de material son:

1. Las piezas impresas usando extrusión de material pueden exhibir tan solo el 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. El equipo más caro es mejor que los sistemas más baratos. El proceso, sin embargo, es el más adecuado para modelos relativamente gruesos 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 al enfriarse. Las impresoras más caras tienen cámaras de construcción calentadas que pueden ayudar a reducir este efecto.
4. La unión intra-capa es bastante pobre en algunos materiales. Esto resulta en propiedades severamente anisotrópicas. Algunos materiales se unen mejor que otros, pero siempre hay compensaciones en sus propiedades.

¿Cuál es la Diferencia entre Inyección de Material y Extrusión de Material?

La inyección de material y la extrusión de material difieren en varias formas:

1. Proceso: La extrusión aplica material parcialmente fundido en líneas y puntos. Tiene una resolución de punto mínimo de entre 0.5 mm y 1 mm de diámetro (dependiendo de la impresora y plástico o cera específico). Los procesos de inyección de material son un orden de magnitud más precisos, aplicando resinas líquidas con un tamaño de punto a menudo menor a 0.05 mm.
2. Construcción de Capa: Los sistemas basados en extrusión usan una sola boquilla aplicadora (en cualquier momento dado) para construir un modelo, lo que limita la velocidad de construcción. Los procesos de inyección de material usan cabezales de inyección de tinta de hasta 100 mm de ancho para «dibujar» franjas anchas de una capa en un solo paso de mesa. Este ancho adicional hace que la construcción de cada capa sea considerablemente más rápida.
3. Construcciones en Capa Z: Los sistemas basados en extrusión tienen la ventaja de construir capas relativamente gruesas. Rara vez son más delgadas de 0.1 mm y a menudo pueden ser de hasta 0.5 mm de grosor. Los grosores de capa de inyección de material son generalmente de 16 µm a 50 µm. Esto significa que se requieren más capas para construir la altura Z, haciendo que las construcciones sean generalmente más lentas en general, a pesar de que cada capa se imprime rápidamente.
4. Costo de Equipo: La tecnología FDM/FFF basada en extrusión es simple, haciendo que las máquinas estén entre las más baratas de cualquier impresora 3D. La inyección de material es delicada y compleja, por lo que el equipo es generalmente 1-2 órdenes de magnitud más caro que FDM/FFF.

Resumen

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

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