Estructuras de soporte aditivas:por qué son importantes y cómo diseñarlas:la guía esencial

Publicado el 5 de abril de 2022

La fabricación aditiva ha marcado el comienzo de una nueva era de posibilidades de fabricación. La tecnología de impresión 3D nos permite crear piezas que antes eran "infabricables", con dimensiones y ángulos complejos, con una velocidad y precisión sin precedentes. Sin embargo, la naturaleza del proceso de fabricación aditiva, en el que se añade material capa por capa, a menudo significa que las piezas requieren soporte para gestionar la presión interna (esencialmente, la fuerza de gravedad) durante la impresión. Sin ese soporte, las capas de aditivos no pueden ser sostenidas por el material que las rodea y colapsar, provocando que la impresión falle. Para abordar este desafío, a veces debemos diseñar estructuras de soporte en nuestras piezas impresas en 3D.

Para asegurarse de maximizar el potencial de su pieza impresa en 3D en cuanto a velocidad, calidad y costo, es importante comprender las estructuras de soporte y cómo deben integrarse en su proyecto de fabricación aditiva.

¿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 soporte durante la fabricación. No todos los procesos de impresión 3D requieren estructuras de soporte:mientras que los procesos de modelado por deposición fundida (FDM) de Stratasys, Carbon Digital Light Synthesis™ (DLS) y estereolitografía (SLA) a menudo requieren soportes, HP Multi Jet Fusion, que es un proceso de impresión en lecho de polvo, no los requiere.

En el proceso de fabricación aditiva de modelado por deposición fundida (FDM) de Stratasys, por ejemplo, se construyen capas de material extruido calentado a partir de una cama de impresión mediante adhesión a las capas de material debajo de ellas y pueden sobresalir de esas capas inferiores para crear una superficie en ángulo. Cuando ese ángulo excede los 45°, el elemento sobresaliente generalmente requiere soporte o el peso del material sin soporte hará que el elemento colapse y la impresión falle.

Cuando se requieran soportes, deben integrarse en el diseño de la pieza e imprimirse en la pieza cuando se produce. Por supuesto, esto significa tener en cuenta el tiempo y el material adicionales que se necesitarán durante el proceso de impresión 3D y la posterior eliminación de las estructuras de soporte después del proceso.

Excepciones:  No todos los métodos de fabricación aditiva requieren estructuras de soporte. Mientras que las tecnologías de impresión 3D, como el modelado por deposición fundida (FDM), imprimen piezas agregando capas de material a una cama de impresión, otras, como HP Multi Jet Fusion (MJF), imprimen piezas a partir de una cama de polvo. Dado que las capas de polvo son autoportantes, los diseños de piezas de 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 se pueden organizar en dos categorías:"árboles" y "vallas".

• Soportes para árboles:  Los soportes de los árboles, que se asemejan a ramas o troncos, pueden encerrar una parte y encajar perfectamente en superficies en ángulo para facilitar su extracción. Los soportes para árboles se pueden diseñar, aplicar y probar rápidamente como parte de un proyecto de impresión 3D, lo que permite una rápida iteración. Su estructura en forma de rama significa que pueden extenderse a distancias para apoyar áreas específicas.
• Soportes de valla:  Parecidos a paredes y con una variedad de puntos de montaje, los soportes de cercas se imprimen perpendicularmente a la superficie de una pieza, a menudo con una estructura de celosía. Los soportes para cercas son más duraderos y más fáciles de quitar que los soportes para árboles y, por lo general, son una mejor opción para piezas cosméticas o producción de gran volumen.

¿Cuándo debo utilizar estructuras de soporte de fabricación aditiva?

La "regla de los 45°" sugiere que los voladizos impresos en 3D de 45° y más requerirán soporte, mientras que los de menos de 45° no.

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 que se utilice. En algunos casos, los puentes pueden ofrecer una alternativa a las estructuras de soporte:los puentes son una técnica en la que el material aditivo calentado se estira a lo largo de una distancia corta (normalmente menos de 5 mm) sin comprometer la integridad de la pieza.

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

• La letra Y:  Dos brazos parten de la letra Y formando un ángulo de 45°; el ángulo de su voladizo no requiere estructuras de soporte. Cuanto más exceda el ángulo de voladizo de 45°, más probable será que se necesiten estructuras de soporte.
• La letra H:  Si los dos elementos verticales de la letra H están a una distancia de 5 mm entre sí, es posible imprimir en 3D el elemento horizontal de la H con un puente. Si los elementos verticales están separados por más de 5 mm, el elemento horizontal puede requerir estructuras de soporte.
• La letra T:  Los dos brazos de la letra T se extienden desde el 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 costo de una pieza en producción en volumen, sin mencionar la cantidad de material de desecho que finalmente produce el proyecto. También se debe tener cuidado al retirar las estructuras de soporte ya que pueden dañar o marcar la pieza terminada al desprenderlas.

Teniendo estos factores en mente, lo ideal sería que las piezas impresas en 3D se diseñaran para minimizar o eliminar la necesidad de estructuras de soporte y, cuando sea posible, se deberían aplicar principios de diseño para fabricación aditiva (DFAM) para optimizar la calidad, el costo y el tiempo de producción de las piezas. Las siguientes estrategias pueden ayudar a reducir la necesidad de estructuras de apoyo:

Orientación:  La orientación de las piezas en la cama de impresión puede afectar la necesidad de estructuras de soporte. Los salientes, por ejemplo, se pueden eliminar girando una pieza hacia atrás o hacia un lado. En los ejemplos anteriores, colocar cada una de las letras del modelo 3D Y, H y T sobre sus espaldas eliminaría por completo cualquier elemento sobresaliente junto con la necesidad de estructuras de soporte o puentes.

Geometría de la pieza:  Siempre que sea posible, elimine los salientes de su diseño o reduzca su ángulo a menos de 45°. Obviamente, los requisitos funcionales pueden hacer imposible la eliminación total de los voladizos, pero es posible introducir elementos de diseño alternativos como chaflanes, refuerzos y radios para hacer que la geometría de la pieza sea más autoportante.

Separación de piezas:  La tecnología de impresión 3D permite la producción de piezas individuales 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 puedan ensamblarse más adelante. Las piezas esféricas, por ejemplo, requieren un soporte sustancial, pero dividiéndolas por la mitad y creando una gran superficie plana, es posible eliminar por completo la necesidad de soportes.

Densidad de soporte:  Las presiones ejercidas sobre las estructuras de soporte determinarán qué tan fuertes deben ser y cuánto material se necesitará para imprimirlas. Para garantizar una impresión exitosa y rentable, asegúrese de que sus estructuras de soporte sean lo suficientemente densas para soportar el tamaño del elemento colgante. Tenga en cuenta que cuanto más densa sea la estructura de soporte, más difícil será eliminar la postimpresión.

Soportes solubles:  Algunas tecnologías de impresión 3D pueden imprimir estructuras de soporte en un material soluble separado, a través de una boquilla de impresión secundaria. Estas estructuras de soporte pueden sumergirse en agua o productos químicos, postimprimirse y disolverse para dejar una parte intacta. Los soportes solubles reducen el potencial de daño a la pieza terminada durante el proceso de remoción de la estructura de soporte. La mayoría de los materiales aditivos FDM tienen soportes solubles, los materiales DLS y SLA no. El proceso HP MJF no requiere soporte alguno.

Primeros pasos

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

Si bien el objetivo siempre es reducir o eliminar la necesidad de estructuras de soporte, nuestros ingenieros apuntan a optimizar la funcionalidad y el costo de su pieza. Si desea saber más sobre cómo podemos hacer posible su proyecto de fabricación aditiva, póngase en contacto con el equipo de SyBridge hoy.