¿Qué es la impresión 3D FDM y cómo funciona?

La modelización por deposición fundida (FDM) es una de las tecnologías de impresión 3D más comunes en la actualidad. Esta tecnología utiliza filamento de material termoplástico como materia prima. Este artículo explica el principio básico de la impresión 3D FDM, describe su funcionamiento, el proceso completo paso a paso y la selección de materiales.

¿Qué es la impresión 3D FDM?

La modelización por deposición fundida (FDM) utiliza filamento de material termoplástico como materia prima. El filamento se calienta y se funde, y luego el material líquido se extruye a través de una boquilla fina en el cabezal de impresión. Tras la extrusión, el material se deposita sobre la plataforma de construcción o sobre una capa previamente solidificada. Cuando la temperatura desciende por debajo del punto de fusión, comienza a solidificarse. La pieza final se forma apilando el material capa a capa.

¿Cómo funciona el modelado por deposición fundida?

Antes de describir cómo funciona una impresora 3D de modelado por deposición fundida, podemos imaginar esta escena:

Sostienes un tubo de pasta de dientes caliente. Dentro del tubo, la pasta está líquida, pero al apretarla, se solidifica inmediatamente. Luego, colocas el tubo boca abajo y aprietas la pasta sobre la mesa moviendo la mano horizontalmente, como si escribieras con un pincel chino. Tras terminar la primera capa, levantas el tubo un poco más y continúas apretando sobre la segunda capa. En este momento, la pasta recién extruida se adhiere a la anterior, y esta se solidifica para servir de soporte a la siguiente. Repites el proceso hasta obtener la forma deseada. Esta es la idea básica de la FDM y también el principio de funcionamiento de los nuevos bolígrafos de impresión 3D que han aparecido en el mercado.

Partiendo de esta idea básica, los ingenieros procesan primero la materia prima para convertirla en un filamento redondo de un diámetro específico. A continuación, este filamento se introduce gradualmente en la boquilla mediante un mecanismo de alimentación. En la boquilla, el material se calienta y se funde. Debajo de la boquilla se encuentra el cabezal de impresión, cuya parte inferior cuenta con una boquilla fina (generalmente de 0.2 a 0.6 mm de diámetro). La presión generada por la extrusión del filamento expulsa el material fundido.

Debido a los requisitos del proceso, antes de que la impresora 3D comience a funcionar, generalmente es necesario configurar información básica como el espaciado entre capas y el ancho de las trayectorias. A continuación, el motor de segmentación divide el modelo tridimensional y genera la trayectoria de impresión. Luego, bajo el control del software principal y la impresora, la boquilla de impresión realiza un movimiento planar en los ejes X e Y según los datos de la capa horizontal, mientras que la plataforma de construcción completa el movimiento vertical en el eje Z. Simultáneamente, el filamento se alimenta a la boquilla mediante el componente de alimentación. Tras calentarse y fundirse, la temperatura de calentamiento se suele ajustar unos pocos grados por encima del punto de fusión de la materia prima. De esta forma, cuando el material se extruye de la boquilla y se adhiere a la plataforma de construcción, se enfría y solidifica rápidamente. El material impreso se fusiona rápidamente con la capa anterior. Cuando se completa cada sección de capa, la plataforma de construcción desciende la altura equivalente al grosor de una capa y la impresora continúa imprimiendo la siguiente. Este paso se repite hasta completar todo el modelo de diseño.

La clave del proceso FDM reside en mantener la temperatura del material fundido extruido por la boquilla justo por encima del punto de solidificación, generalmente controlada a aproximadamente 1 °C por encima de dicho punto. Si la temperatura es demasiado alta, provocará problemas como una baja precisión en la impresión y deformaciones en el modelo. Por otro lado, si la temperatura es demasiado baja o inestable, la boquilla se obstruirá fácilmente y la impresión fallará.

Proceso de modelado por deposición fundida

El proceso de modelado por deposición fundida se puede dividir en 5 pasos: Crear modelo 3D >> Convertir a archivo STL >> Segmentar >> Imprimir >> Postprocesamiento.

1. Crear un modelo 3D

Generalmente, los diseñadores crean el modelo digital tridimensional necesario mediante software de diseño asistido por ordenador, de acuerdo con los requisitos del producto. El software de diseño más utilizado incluye programas como Pro/Engineering, Solidworks, MDT, AutoCAD, UG, entre otros.

2. Convierta el modelo al formato STL.

Generalmente, un modelo bien diseñado presenta numerosas superficies curvas irregulares. Antes de imprimir, es necesario aproximar y ajustar estas superficies. El método más común actualmente consiste en convertir y guardar el modelo en formato STL. El formato STL es un formato de archivo diseñado por la empresa estadounidense 3D Systems para equipos de impresión 3D. Utiliza una serie de pequeños planos triangulares conectados para aproximar las superficies curvas, obteniendo así un archivo de modelo tridimensional aproximado que se puede imprimir rápidamente. La mayoría de los programas de diseño CAD más comunes, como Pro/Engineering, Solidworks, MDT, AutoCAD y UG, permiten exportar archivos en formato STL.

3. Secciona el modelo y añade soportes.

La impresión 3D descompone el modelo, lo fabrica capa por capa según sus secciones y, finalmente, lo ensambla en un ciclo. Por lo tanto, el modelo tridimensional en formato STL debe ser segmentado y convertido a un modelo de capas que la impresora 3D pueda procesar. Actualmente, diversas impresoras 3D del mercado incluyen su propio software de segmentación. Tras configurar los parámetros básicos, el software calcula automáticamente la información de las secciones del modelo.

4. Empezar a imprimir

Según el principio de impresión FDM presentado en la sección anterior, en algunas estructuras de gran envergadura, el sistema debe añadir soportes al producto. De lo contrario, si la sección de la capa superior se ensancha considerablemente en comparación con la de la capa inferior, parte de la capa superior impresa posteriormente quedará suspendida (o colgando en el aire), lo que provocará un colapso o deformación parcial de la sección y afectará gravemente la precisión de la impresión. Por lo tanto, el modelo impreso final generalmente incluye dos partes: los soportes y la parte sólida. El software de laminado calculará y decidirá automáticamente si se deben añadir soportes según las diferentes formas del modelo a imprimir.

Al mismo tiempo, los soportes tienen otra función importante: establecer la capa base. Es decir, antes de la impresión formal, se imprime una capa base en la plataforma de construcción y, a continuación, se imprime el modelo sobre esta capa. Esto permite que la parte inferior del modelo impreso sea más plana y facilita su desprendimiento. Por lo tanto, un paso clave en la impresión FDM es la creación de soportes. Una buena capa base proporciona un plano de referencia preciso para todo el proceso de impresión, garantizando así la precisión y la calidad del modelo impreso.

5. Eliminación de soportes y posprocesamiento

Para los modelos fabricados mediante FDM, el posprocesamiento consiste principalmente en retirar los soportes del modelo y lijar la superficie exterior. Primero, se eliminan los soportes del modelo sólido y, a continuación, se lija la superficie exterior para que la precisión y la rugosidad superficial del modelo final cumplan con los requisitos.

Sin embargo, según la experiencia de producción, los soportes de los modelos fabricados con tecnología FDM en estructuras complejas y finas son difíciles de eliminar por completo sin dañar el modelo. Es fácil dañar la superficie del prototipo, lo que repercute considerablemente en la calidad de la superficie del modelo. Para solucionar este problema, el gigante de la impresión 3D Stratasys desarrolló en 1999 un material de soporte soluble en agua. Al enjuagar el modelo impreso con una solución que disuelve el material de soporte sin dañar el modelo sólido, se resolvió eficazmente este problema. No obstante, en la actualidad, los equipos de impresión FDM desarrollados de forma independiente en China aún no logran esto, y el posprocesamiento de los modelos impresos sigue siendo un proceso relativamente complejo.

Materiales utilizados en el modelado por deposición fundida

Actualmente, los materiales de filamento más comunes incluyen ABS, PLA, caucho sintético, cera y termoplásticos de poliéster. Algunos equipos requieren el uso de dos materiales: uno es el material de modelado, utilizado para imprimir la pieza sólida; el otro es el material de soporte, utilizado para depositar piezas con cavidades o en voladizo.

En comparación con otras tecnologías de impresión 3D, la gama de materias primas disponibles para la impresión FDM es relativamente amplia. Al seleccionar los materiales para la pieza sólida del modelo, se deben considerar principalmente los siguientes factores:

• Viscosidad: Cuanto menor sea la viscosidad, menor será la resistencia, lo que ayuda a que se forme correctamente y reduce la probabilidad de que se obstruya la boquilla.
• Punto de fusión: Cuanto más cerca esté la temperatura del punto de fusión de la temperatura ambiente, menor será el consumo de energía de impresión, lo que contribuye a prolongar la vida útil de la máquina, reducir el estrés térmico y, por lo tanto, mejorar la precisión de impresión.
• Adhesión: La adherencia del material determinará la fuerza de unión entre las capas del artículo impreso.
• Contracción: Cuanto menor sea el grado de contracción del material, mayor será la garantía de precisión del artículo impreso.

Para los materiales de soporte, el proceso FDM tiene principalmente los siguientes requisitos:

• Según el tipo de material sólido, el material de soporte debe ser capaz de soportar una determinada temperatura elevada.
• Para facilitar el procesamiento posterior, no debe haber contacto entre el material de soporte y el material sólido.
• Al igual que el material sólido, necesita una buena fluidez.
• Lo ideal es que posea características como solubilidad en agua o solubilidad en ácido.
• Es preferible una temperatura de fusión más baja.

Equipo típico

Los materiales utilizados en la impresión FDM suelen ser termoplásticos, como cera, ABS, PC, nailon, etc. Los materiales de impresión estándar se fabrican generalmente con filamento, cuyo coste suele ser bajo. El precio unitario del ABS o PLA de fabricación nacional por kilogramo ronda los 100 RMB (unos 15 dólares). Además, en comparación con los equipos de impresión que utilizan materiales en polvo y líquidos, el filamento es más limpio, fácil de reemplazar y almacenar, y el proceso de impresión no genera contaminación por polvo ni líquidos.

En el mercado existen numerosas impresoras 3D de deposición fundida (FDM), especialmente impresoras de escritorio diseñadas para el usuario común. El mundo de la modelización por deposición fundida (FDM) es prácticamente un fenómeno global. Las más conocidas, como la Thing-O-Matic de MakerBot, las impresoras de la serie Replicator y la impresora Cube de 3D Systems, son impresoras 3D de gama básica que utilizan tecnología FDM.

Tolerancia y capacidades

En Getzshape, nuestro Servicios de impresión 3D Cubrimos cuatro tecnologías principales: SLA, SLS, SLM y FDM. A continuación, se detallan nuestras tolerancias y capacidades de impresión 3D FDM.

Acabados para componentes impresos mediante FDM

• Lijado: Un paso básico e importante para el acabado superficial de piezas impresas mediante FDM. Se utiliza papel de lija de diferentes granos para eliminar las líneas de capa visibles y conseguir una superficie más lisa.
• PinturaPrimero, se lija la superficie para alisarla. Luego se aplica una imprimación para que la pintura se adhiera mejor. Después, se aplica la pintura de color con brocha o pulverizador. La pintura puede ocultar completamente las líneas de las capas, darle a la pieza un color atractivo y lograr una superficie lisa. Se utiliza ampliamente en maquetas, prototipos y productos finales.
• PulidoPara lograr una superficie lisa y brillante en piezas FDM, tras un lijado básico, se utilizan compuestos o herramientas especiales para pulir la superficie. Este proceso elimina pequeños arañazos y le da un acabado brillante. El pulido funciona bien en materiales como PLA y ABS.
• Suavizado de vaporMétodo de acabado químico especial, utilizado principalmente para piezas de ABS. La pieza impresa se coloca en un recipiente cerrado con vapor de disolvente. El vapor funde ligeramente la superficie, lo que provoca que las capas se fusionen y adquieran una superficie lisa. Tras el proceso, la pieza presenta una superficie muy lisa y brillante, sin capas visibles.