Estructuras de soporte en fabricación aditiva: Por qué importan y cómo diseñarlas – Guía esencial

Publicado el 5 de abril de 2022

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

Para asegurar que maximice el potencial de su pieza impresa en 3D para velocidad, calidad y coste, es importante entender las estructuras de soporte y cómo deben integrarse en su proyecto de fabricación aditiva.

¿Qué son las estructuras de soporte en 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 Stratasys Fused Deposition Modeling (FDM), Carbon Digital Light Synthesis™ (DLS) y Estereolitografía (SLA) a menudo requieren soportes, HP Multi Jet Fusion, que es un proceso de cama de polvo, no los necesita.

En el proceso Stratasys FDM, por ejemplo, capas de material extruido calentado se construyen desde una cama de impresión por adhesión a las capas de material debajo y pueden voladizar sobre esas capas inferiores para crear una superficie inclinada. Cuando ese ángulo supera 45°, el elemento voladizo generalmente requiere soporte o el peso del material sin soporte causará colapso y fallo de la impresión.

Izquierda: Si el voladizo es 45° o menos desde la vertical, los soportes generalmente no son necesarios
Derecha: Si el voladizo es mayor a 45° desde la vertical, los soportes generalmente son necesarios

Donde se requieren soportes, deben integrarse en el diseño de la pieza e imprimirse en la pieza cuando se produce. Por supuesto, esto significa contabilizar el tiempo y material extra requerido durante el proceso de impresión 3D y la posterior remoción de estructuras de soporte.

Excepciones: No todos los métodos de fabricación aditiva requieren estructuras de soporte. Mientras tecnologías como FDM imprimen piezas añadiendo capas de material a una cama, otras como HP Multi Jet Fusion (MJF) imprimen desde una cama de polvo. Dado que las capas de polvo son auto-soportantes, los diseños de piezas 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 organizarse ampliamente en dos categorías: 'árboles' (trees) y 'vallas' (fences).

• Soportes árbol: Asemejándose a ramas o troncos, los soportes árbol pueden envolver una pieza y ajustarse limpiamente a superficies inclinadas para facilidad de remoción. Pueden diseñarse, aplicarse y probarse rápidamente como parte de un proyecto de impresión 3D, permitiendo iteración rápida. Su estructura ramificada significa que pueden alcanzar distancias para soportar áreas específicas.
• Soportes valla: Asemejándose a paredes, y con variedad de puntos de montaje, los soportes valla se imprimen perpendicular a la superficie de una pieza a menudo con estructura de celosía. Son más duraderos y fáciles de remover que los soportes árbol, y típicamente son mejor opción para piezas cosméticas o producción de alto volumen.

¿Cuándo debo usar estructuras de soporte en fabricación aditiva?

La 'regla del 45°' sugiere que voladizos de 45° o más requerirán soporte, mientras que aquellos bajo 45° no.

Sin embargo, la regla del 45° debe considerarse una regla general y la necesidad de estructuras de soporte variará dependiendo de la complejidad del diseño de la pieza y del material usado. En algunos casos, el puente (bridging) puede ofrecer alternativa a estructuras de soporte: el puente es una técnica en la que material aditivo calentado se estira a través de una distancia corta (generalmente menos de 5mm) 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 Y a 45° —el ángulo de su voladizo no necesita soportes. Cuanto más el ángulo supere 45°, más probable es que se necesiten soportes.
• La letra H: Si los dos elementos verticales de la H están dentro de 5 mm, puede ser posible imprimir el elemento horizontal con un puente. Si están más separados de 5mm, el elemento horizontal puede requerir soportes.
• La letra T: Los dos brazos de la T se extienden del elemento vertical a 90° y requerirán soportes.

Más allá del ángulo de voladizo, otros factores pueden afectar la necesidad de soportes. Estos incluyen la calidad de la impresora 3D y la velocidad a la que imprime: 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. También se debe tener cuidado al remover estructuras de soporte ya que pueden dañar o marcar la pieza terminada al desprenderse.

Con esos factores en mente, las piezas impresas en 3D idealmente deberían diseñarse para minimizar o eliminar la necesidad de estructuras de soporte y, donde sea posible, principios de diseño para fabricación aditiva (DFAM) deberían aplicarse para optimizar piezas para 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 cama de impresión puede afectar la necesidad de soportes. Voladizos, por ejemplo, pueden eliminarse rotando una pieza sobre su dorso o lado. En los ejemplos anteriores, acostar cada una de las letras modelo 3D Y, H y T sobre su dorso eliminaría completamente cualquier elemento voladizo junto con la necesidad de soportes o puentes.

Geometría de la pieza: Donde sea posible, elimine voladizos de su diseño —o reduzca su ángulo a menos de 45°. Obviamente, 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 más auto-soportante.

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

Densidad de soporte: Las presiones ejercidas sobre estructuras de soporte dictarán cuán fuertes necesitan ser y cuánto material se requiere para imprimirlos. Para asegurar una impresión exitosa y rentable, asegure que sus estructuras de soporte sean lo suficientemente densas para soportar el tamaño del elemento voladizo. Tenga en cuenta que cuanto más densa la estructura, más difícil puede ser removerla post-impresión.

Soportes disolubles: Algunas tecnologías de impresión 3D pueden imprimir estructuras de soporte en material disoluble separado, vía boquilla de impresión secundaria. Estos soportes pueden sumergirse en agua o químicos post-impresión y disolverse para dejar una pieza intacta. Soportes disolubles reducen potencial de daño a la pieza terminada durante remoción. La mayoría de materiales FDM tienen soportes disolubles, DLS y SLA no. El proceso HP MJF no requiere soportes en absoluto.

Comenzando

Las estructuras de soporte continuarán jugando un papel integral en la mayoría de proyectos de fabricación aditiva.

Mientras 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 SyBridge hoy.