Optimización de la impresión 3D: El papel crucial de las estructuras de soporte y estrategias de diseño

La fabricación aditiva ha inaugurado una nueva era de posibilidades de manufactura. La tecnología de impresión 3D nos permite crear piezas previamente "infabricables", con geometrías y ángulos complejos, con una velocidad y precisión sin precedentes. Sin embargo, la naturaleza del proceso de fabricación aditiva, en el que el material se deposita capa por capa, a menudo significa que las piezas requieren soporte para gestionar la presión interna —esencialmente, la fuerza de la gravedad— durante la impresión. Sin ese soporte, las capas aditivas no pueden sostenerse por el material circundante y colapsan, provocando el fallo de la impresión. Para abordar este desafío, a veces debemos diseñar estructuras de soporte en nuestras piezas impresas en 3D.

¿Qué son las estructuras de soporte en la impresión 3D?

Las estructuras de soporte sostienen elementos de una pieza impresa en 3D que no tienen material de apoyo durante la fabricación. No todos los procesos de impresión 3D requieren estructuras de soporte: mientras que el Modelado por Deposición Fundida (FDM) de Stratasys, la Síntesis de Luz Digital (DLS) de Carbon y la Estereolitografía (SLA) a menudo requieren soportes, la Multi Jet Fusion de HP, que es un proceso de lecho de polvo, no los necesita.

En el proceso de fabricación aditiva por Modelado por Deposición Fundida (FDM) de Stratasys, por ejemplo, se construyen capas de material extruido y calentado desde una base de impresión por adhesión a las capas de material inferiores y pueden sobresalir de esas capas inferiores para crear una superficie angular. Cuando ese ángulo supera los 45°, el elemento voladizo generalmente requiere soporte o el peso del material sin soporte hará que el elemento colapse y la impresión falle.

Cuando se requieren soportes, deben integrarse en el diseño de la pieza e imprimirse con ella durante la producción. Por supuesto, esto implica contabilizar el tiempo y material adicionales requeridos durante el proceso de impresión 3D y la posterior eliminación de las estructuras de soporte en el post-procesado.

Excepciones: No todos los métodos de fabricación aditiva requieren estructuras de soporte. Mientras que tecnologías como el modelado por deposición fundida (FDM) imprimen piezas añadiendo capas de material a una base de impresión, otras, como la Multi Jet Fusion (MJF) de HP, imprimen piezas desde un lecho de polvo. Dado que las capas de polvo son auto-soportantes, los diseños de piezas para HP MJF no necesitan incorporar estructuras de soporte.

¿Qué tipos de estructuras de soporte están disponibles?

Las estructuras de soporte para piezas impresas en 3D varían en diseño y tipo, pero pueden clasificarse ampliamente en dos categorías: "árboles" y "vallas".

• Soportes tipo árbol: Asemejándose a ramas o troncos, los soportes tipo árbol pueden rodear una pieza y ajustarse perfectamente a superficies angulares para facilitar su eliminación. Los soportes tipo árbol pueden diseñarse, aplicarse y probarse rápidamente como parte de un proyecto de impresión 3D, permitiendo iteraciones rápidas. Su estructura ramificada les permite alcanzar distancias para soportar áreas específicas.

• Soportes tipo valla: Asemejándose a muros, y con una variedad de puntos de montaje, los soportes tipo valla se imprimen perpendiculares a la superficie de una pieza, a menudo con una estructura de celosía. Los soportes tipo valla son más duraderos y fáciles de eliminar que los tipo árbol, y suelen ser la mejor opción para piezas cosméticas o producción de alto volumen.

¿Cuándo debo usar estructuras de soporte en fabricación aditiva?

La "regla de los 45°" sugiere que los voladizos de 45° o más en impresión 3D requerirán soporte, mientras que los inferiores a 45° no lo necesitarán.

Sin embargo, la regla de los 45° debe considerarse una regla general y la necesidad de estructuras de soporte variará según la complejidad del diseño de la pieza y el material utilizado. En algunos casos, el puenteo (bridging) puede ofrecer una alternativa a las estructuras de soporte: el puenteo es una técnica en la que el material aditivo calentado se estira a través de una corta distancia (generalmente menos de 5 mm) sin comprometer la integridad de la pieza.

El principio "YHT": Cuando se conciben como modelos 3D de pie, las letras Y, H y T son útiles para ilustrar la necesidad de estructuras de soporte en fabricación aditiva.

• La letra Y: Dos brazos se extienden de la letra Y a 45° — el ángulo de su voladizo no requiere estructuras de soporte. Cuanto más el ángulo de voladizo supere los 45°, más probable será que se necesiten estructuras de soporte.

• La letra H: Si los dos elementos verticales de la letra H están a menos de 5 mm entre sí, puede ser posible imprimir en 3D el elemento horizontal de la H con un puente. Si los elementos verticales están a más de 5 mm de distancia, el elemento horizontal puede requerir estructuras de soporte.

• La letra T: Los dos brazos de la letra T se extienden del elemento vertical a 90° y requerirán estructuras de soporte.

Más allá del ángulo de un voladizo, otros factores pueden afectar la necesidad de estructuras de soporte. Estos incluyen la calidad de la impresora 3D y la velocidad a la que imprime: las impresoras más lentas, por ejemplo, pueden aumentar la necesidad de estructuras de soporte.

Estructuras de soporte: Desafíos de fabricación

Las estructuras de soporte son una necesidad en muchas construcciones aditivas, pero es importante recordar que pueden afectar significativamente el coste de una pieza en producción en volumen — sin mencionar la cantidad de material de desecho que el proyecto produce finalmente. También debe tenerse cuidado al eliminar las estructuras de soporte, ya que pueden dañar o marcar la pieza terminada al desprenderse.

Con esos factores en mente, las piezas impresas en 3D deberían diseñarse idealmente para minimizar o eliminar la necesidad de estructuras de soporte y, cuando sea posible, aplicar principios de diseño para fabricación aditiva (DFAM) para optimizar las piezas en calidad, coste y tiempo de producción. Las siguientes estrategias pueden ayudar a reducir la necesidad de estructuras de soporte:

Orientación: La orientación de las piezas en la base de impresión puede afectar la necesidad de estructuras de soporte. Los voladizos, por ejemplo, pueden eliminarse rotando una pieza sobre su dorso o lateral. En los ejemplos anteriores, tumbar cada una de las letras del modelo 3D Y, H y T sobre su dorso eliminaría completamente cualquier elemento voladizo junto con la necesidad de estructuras de soporte o puentes.

Geometría de la pieza: Cuando sea posible, elimine los voladizos de su diseño — o reduzca su ángulo a menos de 45°. Obviamente, los requisitos funcionales pueden hacer imposible la eliminación total de voladizos, pero puede introducir elementos de diseño alternativos como chaflanes, refuerzos y radios para hacer la geometría de la pieza más auto-soportante.

Separación de piezas: La tecnología de impresión 3D permite la producción de piezas únicas complejas, pero si la cantidad de soporte que necesitan esas piezas reduce su calidad o rentabilidad, puede valer la pena dividir la pieza en componentes más pequeños que se ensamblen después. Las piezas esféricas, por ejemplo, requieren soporte sustancial, pero al dividirlas por la mitad y crear una gran superficie plana, es posible eliminar la necesidad de soportes completamente.

Densidad de soporte: Las presiones ejercidas sobre las estructuras de soporte dictarán qué tan fuertes deben ser y cuánto material se requiere para imprimirlas. Para asegurar una impresión exitosa y rentable, asegúrese de que sus estructuras de soporte sean lo suficientemente densas para soportar el tamaño del elemento voladizo. Tenga en cuenta que cuanto más densa sea la estructura de soporte, más difícil puede ser su eliminación post-impresión.

Soportes disolubles: Algunas tecnologías de impresión 3D pueden imprimir estructuras de soporte en un material disoluble separado, a través de una segunda boquilla de impresión. Estas estructuras de soporte pueden sumergirse en agua o químicos post-impresión y disolverse para dejar una pieza intacta. Los soportes disolubles reducen el potencial de daño a la pieza terminada durante el proceso de eliminación de la estructura de soporte. La mayoría de materiales aditivos FDM tienen soportes disolubles, los materiales DLS y SLA no. El proceso HP MJF no requiere soportes en absoluto.

Primeros pasos

Las estructuras de soporte seguirán desempeñando un papel integral en la mayoría de proyectos de fabricación aditiva.

Aunque el objetivo siempre es reducir o eliminar la necesidad de estructuras de soporte, nuestros ingenieros buscan optimizar su pieza para funcionalidad y coste. Si desea saber más sobre cómo podemos hacer posible su proyecto de fabricación aditiva, contacte al equipo de Fast Radius hoy mismo.

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