Impresión 3D de modelado por deposición fundida (FDM): explicación simple

Las tecnologías de impresión 3D se pueden clasificar en seis categorías: 1) polimerización en cubeta 2) fusión en lecho de polvo 3) inyección de material 4) inyección de aglutinante 5) extrusión de material.

En este artículo, exploraremos uno de esos Tecnologías de impresión 3D que encuentran sus aplicaciones en el mundo de la impresión 3D como ninguna otra. FDM son las siglas de Fused Deposition Modeling, a veces también conocido como Fused Filament Fabrication.

La impresión 3D FDM pertenece a la familia de extrusión de materiales. Esta tecnología representa la base instalada más amplia de impresoras 3D a nivel mundial. Y es, por tanto, la primera tecnología con la que se familiariza un novato en la fabricación aditiva.

Hay muchas formas en que la tecnología ha ayudado a poner en primer plano algunas de las aplicaciones más difíciles. Ahora, los consumidores pueden construir un producto completo desde sus hogares. La pregunta es: ¿Dónde empezó todo esto? Entonces, averigüemos más.

Un retroceso al desarrollo de la tecnología FDM

Procesos de impresión 3d

Crédito: 3dhubs.com

FDM fue creado por Scott y Lisa Crump en 1988. Es interesante leer que el creador fundó esta tecnología para construir a su hija una rana de juguete usando una pistola de pegamento y una mezcla de polietileno y cera de vela.

Él y ella tuvieron éxito en la creación de la rana de juguete y después de eso, patentaron esta tecnología con sus nombres y fundaron una empresa llamada Stratasys.

La empresa que fundaron en 1989 creó un software que convertía los archivos STL a otros formatos. STL es una abreviatura de estereolitografía. Es importante señalar que antes de esta invención, el hardware de la impresora 3D no podía comunicarse con las computadoras.

Este software dio una señal verde a las computadoras para comunicarse con el hardware de la impresora 3D. Lo que este software también hizo fue algo llamado corte de sección de un modelo 3D. Entonces, como predice, este también fue un gran avance en la fabricación aditiva.

En FDM, un producto se construye depositando selectivamente material fundido en una ruta predeterminada. Esta deposición se realiza capa tras capa y los materiales utilizados aquí son polímeros termoplásticos que vienen en forma de filamentos. Ahora que ha adquirido un poco de conocimiento sobre la impresión 3D FDM, veamos paso a paso cómo se lleva a cabo.

Proceso de tres pasos para mostrar cómo funciona la impresión 3D FDM

modelado de deposición fundida fdm impresión 3d

Ahora está familiarizado con que la deposición en FDM ocurre capa tras capa. Para mejorar su comprensión, estos son los tres pasos que le permitirán tener un estudio en profundidad de los procesos involucrados en la tecnología FDM.

  1. El proceso comienza con la carga de la bobina de filamento termoplástico. Estos filamentos termoplásticos (que se explican más adelante en el artículo) son el material para la impresión FDM. Este filamento va a la extrusora cuando la temperatura del cabezal de impresión alcanza el punto de fusión del filamento específico. La temperatura variará según la selección de materiales en las impresoras 3D FDM.
  2. Debe tener un diseño listo para imprimir. Según el diseño 3D, el cabezal de impresión se mueve alrededor de los diferentes ejes. Ahora, cuando el cabezal de extrusión se carga con el material termoplástico fundido, la deposición comienza con el movimiento del cabezal de extrusión. Una capa tras otra, el material se deposita según el diseño 3D que se ha introducido en la impresora 3D FDM. Después de cada capa, se lleva a cabo el enfriamiento del material termoplástico mediante los ventiladores de enfriamiento que están conectados al cabezal de extrusión.
  3. Después de que se completa cada capa, la plataforma de impresión se mueve hacia abajo dando espacio para la deposición de la siguiente capa. La siguiente capa se superpone a la anterior y todo el proceso continúa hasta que se imprime la pieza 3D completa fuera de la máquina.

Para comprender mejor cómo funciona una impresora 3D FDM, a continuación se muestra un diagrama esquemático de la misma:

Ahora que ha visto un procedimiento paso a paso de cómo funciona una impresora 3D FDM, es hora de observar algunas características típicas que todo diseñador debe tener en cuenta.

Puntos que los diseñadores deben seguir

Como toda técnica, la tecnología FDM también tiene algunas de sus propias especialidades y limitaciones. Un buen diseñador debe utilizar esta técnica de tal manera que pueda sacar el máximo provecho de las especialidades y minimizar las limitaciones.

Sin embargo, antes de diseñar con una impresora FDM 3D, un diseñador debe tener en cuenta lo siguiente.

Tamaño de impresión y alturas de capa

Altura de la capa de resolución de impresión 3d

Una impresora 3D de escritorio común que se utiliza para fines domésticos tiene unas dimensiones de 200 * 200 * 200 mm. Mientras que una impresora 3D común que se utiliza para fines industriales tiene dimensiones de 1000 * 1000 * 1000 mm.

Al imprimir con una impresora doméstica, las piezas grandes deben dividirse en pequeñas y luego ensamblarse, mientras que si está utilizando una impresora 3D industrial, puede construir una pieza completa con eso.

Aquí viene la primera contradicción: si mantiene una altura de capa pequeña, podrá producir piezas lisas y con geometrías curvas.

Una altura de capa más grande le permitiría producir con una mayor velocidad que una altura de capa más pequeña. Ahora no puede tener ambos al mismo tiempo.

Por lo tanto, recuerde la regla: siempre que necesite producir geometrías curvas o necesite bordes precisos en el producto, mantenga pequeña la altura de la capa. Mientras que cuando no se necesita esa precisión en altura, produzca más rápido manteniendo una altura de capa mayor.

Pandeo:

Deformación de impresión 3d
Deformación de impresión 3d

Este efecto es provocado por la solidificación que tiene que sufrir el material termoplástico, una vez realizado el depósito capa a capa.

Independientemente de la geometría del material, tendrá diferentes velocidades de enfriamiento en diferentes partes de su superficie. En la deformación, el material elegido por el diseñador juega un papel importante. Ahora, ¿cómo es eso?

  • A través de las observaciones, podemos considerar que el ABS, un material termoplástico común utilizado en la impresión FDM, es más sensible a la deformación en comparación con el PLA o PETG. La razón de este fenómeno es una temperatura de transición vítrea más alta y un coeficiente de expansión térmica relativamente alto.
  • Los materiales delgados que sobresalen también sufren más deformaciones. Por lo tanto, antes de someterse a una impresión 3D FDM de dichos materiales, mantenga siempre un material de sacrificio en el borde del material. Esto aumentará su área general que permanecerá en contacto con la plataforma de impresión.
  • Frente a él, se deben evitar las grandes áreas planas para someterse a la tecnología FDM porque también son propensas a deformarse. Incluso las esquinas afiladas se deforman con más frecuencia. Por lo tanto, se deben mantener los filetes en el diseño mientras se imprime con la impresora FDM para evitar deformaciones.

Adhesión de capa:

Al estudiar la topografía general de cualquier material, se puede ver claramente que cuanto mayor es la adhesión de la capa, mayor es su resistencia.

Esta regla también es válida para las piezas impresas con impresión FDM 3D. Recuerde, la deposición ocurre capa por capa.

Lo que significa que la alta temperatura del material termoplástico derretiría parte de la superficie de la capa anterior y permitiría la unión de la nueva capa con la parte anterior.

Esto también resultará en la deformación de un material. Indica que las piezas producidas por FDM siempre tendrán una superficie ondulada y cabezas pequeñas o roscas que pueden necesitar un procesamiento posterior después de la tecnología FDM.

Usando estructuras de soporte minimalistas:

A veces, el diseño 3D no podrá pasar por el proceso de impresión sin una estructura de soporte.

El motivo del uso de una estructura de soporte es que las geometrías no se pueden depositar en el aire. Estas estructuras brindan soporte para los diseños con voladizos u otras limitaciones.

Esta es la parte en la que los diseñadores deben cuidar más. La pieza FDM debe imprimirse de tal manera que necesite la menor cantidad de estructura de soporte.

Porque las estructuras de soporte se imprimirían de forma similar a como se imprime la pieza FDM. Y solo aumentaría la molestia del posprocesamiento. Además, el acabado de la superficie también se ve comprometido al eliminar la estructura de las piezas impresas.

Espesor de relleno y carcasa:

Un hecho que debe aprender sobre la impresión FDM es que las piezas no siempre son sólidas. Esto se hace para reducir el tiempo y también ahorrar material.

El material exterior que se traza mediante pases se llama caparazón y el material interior se llama relleno.

TAmbos afectan la resistencia general de la pieza FDM. Hay configuraciones generales disponibles para diferentes tipos de impresoras que un diseñador debe conocer. Esto es para garantizar la precisión del diseño.

Pros y contras

Ahora que conoce en profundidad la impresión 3D FDM, es hora de conocer los pros y los contras del método en comparación con otras técnicas de impresión 3D.

Pros
  • A diferencia de otras técnicas de impresión 3D, se puede producir la pieza con una amplia gama de tamaños. Las piezas pueden ser tan pequeñas como en milímetros o tan grandes como metros que se pueden producir utilizando la impresión 3D FDM. La razón de esta enorme escalabilidad es que FDM tiene menos restricciones en su área de impresión.
  • La impresión 3D FDM se puede lograr utilizando una gran variedad de materiales. Los materiales termoplásticos pueden sufrir algunas modificaciones. A pesar de las modificaciones, el material produce fantásticos resultados finales.
  • El tiempo de entrega de FDM es corto y, por lo tanto, puede producir más en comparación con otras tecnologías dentro del mismo límite de tiempo.
  • El proceso FDM es también la tecnología de impresión 3D más rentable para producir piezas termoplásticas personalizadas. Porque los materiales termoplásticos están disponibles en una amplia gama y son compatibles cuando se trata de construir un prototipo.
Contras
  • La impresión FDM tiene la precisión más baja cuando se trata de obtener el material de dimensión perfecta. Además, la resolución que se obtiene en esta técnica es la más baja en comparación con otras técnicas de impresión 3D.
  • El mecanismo de adhesión de capas hace que la tecnología FDM sea naturalmente anisótropa. Porque las piezas que se producen tienonlines visibles que se forman capa tras capa de deposición. Esto también aumenta el tiempo requerido en el posprocesamiento para obtener un acabado más suave que otras técnicas.

Las 3 recomendaciones principales para impresoras 3D FDM:

Las impresoras 3D FDM están disponibles en una amplia gama de precios. Los domésticos son generalmente más baratos que los industriales. Por ello, se recomienda utilizar uno doméstico si es nuevo en el campo de la fabricación aditiva.

Ultimaker S5:

Al producir impresiones impecables, la extrusora dual con Ultimaker S5 llevó las expectativas del mercado a su cenit. Esta impresora 3D FDM está fabricada por una empresa con sede en Holanda y tiene un precio de aproximadamente € 6000.

Makerbot Replicator Plus:

Fabricada por una empresa con sede en EE. UU., Esta impresora 3D FDM cuesta aproximadamente € 2000. Ya sea PLA, PVA o PETG, Markerbot Replicator + puede imprimir una amplia gama de materiales termoplásticos. La compañía ha lanzado un paquete especial para brindar educación a los entusiastas en las escuelas.

Prusa i3 MK3S:

Esta impresora tiene el título de ser la mejor impresora 3D FDM disponible por menos de € 1000. Creada por una empresa con sede en Chequia, la impresora 3D es conocida por su creación a partir del movimiento Rep Rap y se puede acceder a ella mediante una unidad USB o una tarjeta SD.

Como se prometió anteriormente, averigüemos cuáles son los materiales termoplásticos que se usan comúnmente en la impresión 3D FDM antes de concluir el artículo.

Materiales de uso común en la impresión 3D FDM

ABS, PLA, Nylon (PA), PETG, TPU y PEI son los nombres de los materiales termoplásticos más comunes que se utilizan en FDM. Sin embargo, la lista no termina aquí. Hay varios PLA materiales compuestos también disponibles como madera, metal y muchos más.

La conclusión

Si es un fabricante o planea serlo, debe recordar algunas reglas que van con la impresión FDM. FDM es conocido por ser un método de impresión 3D de bajo precio y que produce prototipos y piezas funcionales más rápido que otros métodos de impresión 3D.

Por lo tanto, si elimina estas cualidades de las impresoras 3D FDM, tendría un efecto adverso. La tecnología FDM produce piezas inherentemente anisotrópicas, por lo que cualquier experimento con materiales isotrópicos resultaría en un fracaso.

Si elige este método de impresión, siempre estará en un lado más seguro para la impresión en 3D debido a su disponibilidad y amplio alcance.

Otros métodos aún están aumentando su alcance y tomarían tiempo para ser tan extendidos como la impresión 3D FDM. Por esta razón, la técnica es también la técnica preferida por los principiantes en la fabricación aditiva.