Aprovechando simulaciones en impresión 3D para calidad y precisión superiores

Conoce los beneficios y estado del arte de simulaciones en impresión 3D. Por qué, qué y cómo usar simulaciones, con consejos para empezar.

Introducción

Simular el proceso de fabricación se está integrando poco a poco en el flujo de trabajo de impresión 3D. Las simulaciones ayudan a entender y visualizar los complejos fenómenos termo-mecánicos durante la fabricación, resultando en piezas de alta calidad y precisión.

Especialmente importante para componentes de alto valor fabricados con procesos de vanguardia, donde iteraciones de diseño (descartar impresión defectuosa) son muy costosas en material y tiempo.

Las simulaciones del proceso de impresión 3D no deben confundirse con simulaciones FEA mecánicas comunes: estas evalúan rendimiento mecánico bajo condiciones funcionales (carga, deformación, temperatura); aquellas predicen el resultado del proceso de fabricación, capa a capa y bajo ciertos parámetros.

En este artículo presentamos beneficios de simular cada proceso y detalles para ejecutar simulaciones con éxito, con consejos prácticos.

¿Por qué usar simulaciones en impresión 3D?

Simular el proceso es muy valioso porque ayuda a:

• Evitar fallos de impresión y rechazos por problemas geométricos, ahorrando tiempo y reduciendo coste global.
• Evaluar riesgo de producción y dar pautas para mitigar probabilidad de fallo.
• Entender la física del proceso de fabricación.
• Predecir características microestructurales de la pieza final.
• Optimizar producción para mejorar velocidad, reducir post-procesado o mejorar precisión reduciendo deformación de pieza y soportes.

Puedes simular antes o después de generar soportes:

• Antes: Resultados identifican áreas críticas de deformación significativa o tensión interna durante fabricación. El diseñador puede añadir soportes adaptados para minimizar deformación, cambiar orientación para cambiar zonas de acumulación de calor o modificar geometría para mejorar calidad final.
• Después: Simulaciones ayudan a minimizar riesgo de fallo (ej. interferencia del recubridor), asegurar que dimensiones finales estén en rango de tolerancia especificado y evaluar impacto de diferentes parámetros de impresión (ej. comparar parámetros optimizados para producción vs. precisión).

En ambos casos, simulaciones reducen riesgo en fabricación de alto valor y mejoran productividad en impresión 3D de alto volumen, ahorrando semanas y miles de dólares en desarrollo y producción.

¿Qué procesos de impresión 3D simular?

Simulaciones son más relevantes para impresión 3D de alto valor y alta precisión. Los paquetes de simulación contemporáneos más populares se basan en solvers de simulación de soldadura metálica. Así, se usan más con impresión 3D metálica.

Sin embargo, todos los procesos principales pueden simularse:

• SLM/DMLS: Tecnologías metálicas más maduras; muchos paquetes se centran en ellas. Temperaturas de fusión de metales > sinterizado de polímeros → restricciones termo-mecánicas más importantes.
• EBM: Tecnología metálica más reciente; pocos paquetes la cubren. Simulaciones ayudan a identificar zonas de acumulación de calor del haz de electrones.
• FDM: Problema principal: warping (deformación) por enfriamiento diferencial del termoplástico extruido. Simulación verifica si rediseñar pieza o añadir brim para mejorar adherencia a plataforma.
• SLA/DLP: Problema principal: curling (rizado), similar a warping. Pocas soluciones software para simular SLA actualmente.
• SLS: No requiere soportes, pero pueden aparecer zonas de acumulación térmica resultando en mala lisura o warping. Simulación identifica estas áreas.

Resultados y salidas de simulación

Distribución de temperatura

El gradiente de temperatura es causa raíz de todos los fenómenos mecánicos durante la construcción.

Puede calcularse solo, sin deformación mecánica. Suele ser más rápido que simulación completa y resolver acumulación de calor puede resolver a la vez problemas de deformación mecánica.

Deformación

Conocidas las propiedades mecánicas reales del material, puede calcularse deformación de la pieza durante fabricación.

Dirección de deformación suele ser correcta sea cual sea parámetros, pero amplitud depende mucho del tamaño de malla: malla más fina = resultados más precisos, pero más tiempo de cómputo.

Interferencia del recubridor (recoater)

En tecnologías de lecho de polvo (SLS, SLM/DMLS), si deformación en eje Z > altura de capa, el recubridor puede contactar la pieza, arrastrándola y causando fallo. Algunos paquetes permiten definir altura de tolerancia del recubridor y avisan si deformación en Z supera ese umbral.

Pasos de post-procesado

Foco principal de paquetes de simulación: fenómenos termo-mecánicos durante fabricación. Pero otros problemas aparecen en pasos posteriores.

Durante desprendimiento de pieza de plataforma o retirada de soportes, tensiones residuales pueden deformar la pieza. Tratamientos térmicos alivian tensión interna. Algunos paquetes simulan estos pasos y ayudan a evaluar si tratamiento térmico es necesario (o efectivo).

Lista de software de simulación

Discretización

Primer paso: discretización correcta del volumen de pieza.

A diferencia de simulación mecánica regular (malla conformal con tetraedros), la mayoría de software de simulación de impresión 3D usa voxelización: volumen 3D representado por pequeños cubos (voxels), similar a píxeles en imagen 2D. Más elementos = más precisión, pero tiempo de simulación aumenta significativamente. Encontrar equilibrio es clave.

Para simulación inicial, interesante lanzar simulación gruesa con voxels grandes para resultados «rápidos y sucios» en segundos/minutos, identificando áreas principales de deformación. No cuesta mucho y ayuda a decidir si simulación precisa (voxels pequeños) es necesaria.

Material y parámetros de impresión

Una vez discretizada la pieza, selecciona propiedades del material. Definir propiedades es probablemente el paso más crucial: datos inexactos producen resultados erróneos.

La mayoría de editores proveen librería propia de materiales, útil para empezar. En ambos casos, probablemente no estén perfectamente adaptados para simulación. Todo software permite modificar/crear materiales propios para simulaciones precisas. Requiere conocimiento experto en ciencia de materiales; no recomendado para inexpertos.

Calibración

Algunos software permiten calibrar propiedades de material basándose en probetas impresas en material y máquina específicos. Así se identifican propiedades más precisas, resultando en simulaciones más exactas.

Reglas prácticas

• Simula antes de generar soportes para mejorar geometría y ayudar en diseño de soportes.
• Simula tras generar soportes para validar precisión y comprobar interferencia del recubridor.
• Primero simulación rápida con voxels grandes para identificar áreas de mayor deformación. Luego refina malla para mejorar precisión.
• Simula temperatura sin resolución mecánica para ahorrar tiempo; resolver acumulación de calor puede resolver también deformación mecánica.
• Prefiere software de simulación en nube para rendimiento, pero usa solvers locales si políticas de confidencialidad lo exigen.

Extra esencial: Descarga gratis el póster Reglas de Diseño para impresión 3D en alta resolución, lleno de directrices accionables para los 6 principales procesos.