La fabricación con filamentos fundidos ( FFF ), también conocida como modelado por deposición fundida (con el acrónimo registrado FDM ) o fabricación de filamentos de forma libre , es un proceso de impresión 3D que utiliza un filamento continuo de un material termoplástico . [1] El filamento se alimenta desde un carrete grande a través de un cabezal extrusor de impresora calentado y en movimiento, y se deposita sobre la pieza de trabajo en crecimiento. El cabezal de impresión se mueve bajo control informático para definir la forma impresa. Por lo general, el cabezal se mueve en dos dimensiones para depositar un plano horizontal, o capa, a la vez; luego, la pieza de trabajo o el cabezal de impresión se mueven verticalmente una pequeña cantidad para comenzar una nueva capa. La velocidad del cabezal del extrusor también se puede controlar para detener e iniciar la deposición y formar un plano interrumpido sin encordamiento ni goteo entre las secciones. Los miembros del proyecto RepRap acuñaron el término "fabricación con filamentos fundidos" para dar un acrónimo (FFF) que no tuviera restricciones legales en su uso. [2]
La impresión con filamento fundido es ahora el proceso más popular (por número de máquinas) para la impresión 3D de nivel aficionado . [3] Otras técnicas como la fotopolimerización y la sinterización de polvo pueden ofrecer mejores resultados, pero son mucho más costosas.
El cabezal de la impresora 3D o extrusor de impresora 3D es una parte de la fabricación aditiva por extrusión de materiales que se encarga de fundir o ablandar la materia prima y darle forma de perfil continuo. Se extruyen una amplia variedad de materiales filamentosos , incluidos termoplásticos como el acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), [4] ácido poliláctico (PLA), polietilentereftalato glicol (PETG), polietilentereftalato (PET), poliestireno de alto impacto (HIPS), poliuretano termoplástico (TPU) y poliamidas alifáticas ( nailon ). [5]
El modelado por deposición fundida fue desarrollado por S. Scott Crump , cofundador de Stratasys , en 1988. [6] [7] Con la expiración de la patente de esta tecnología en 2009, [8] las personas pudieron usar este tipo de impresión sin pagar a Stratasys por el derecho a hacerlo, abriendo aplicaciones de impresoras 3D comerciales, DIY y de código abierto ( RepRap ). Esto ha llevado a una caída de precio de dos órdenes de magnitud desde la creación de esta tecnología. [9] Stratasys todavía posee la marca registrada del término "FDM". [10] [11]
La impresión 3D, también conocida como fabricación aditiva (FA), implica la fabricación de una pieza depositando material capa por capa. [12] Existe una amplia gama de diferentes tecnologías de FA que pueden hacer esto, incluida la extrusión de material, la inyección de aglutinante, la inyección de material y la deposición de energía dirigida. [13] Estos procesos tienen varios tipos de extrusoras y extruyen diferentes materiales para lograr el producto final.
La fabricación con filamentos fundidos utiliza la extrusión de material para imprimir artículos, donde se empuja un material de partida a través de un extrusor. En la mayoría de las máquinas de impresión 3D de fabricación con filamentos fundidos, el material de partida viene en forma de filamento enrollado en una bobina.
El licuador de la impresora 3D es el componente que se utiliza predominantemente en este tipo de impresión. Las extrusoras para estas impresoras tienen un extremo frío y un extremo caliente. El extremo frío extrae el material del carrete , utilizando un par basado en engranajes o rodillos para el material y controlando la velocidad de alimentación por medio de un motor paso a paso . El extremo frío empuja la materia prima hacia el extremo caliente. El extremo caliente consta de una cámara de calentamiento y una boquilla. La cámara de calentamiento alberga el licuador, que derrite la materia prima para transformarla en líquido. Permite que el material fundido salga de la boquilla pequeña para formar una fina y pegajosa gota de plástico que se adherirá al material sobre el que se coloca. La boquilla normalmente tendrá un diámetro de entre 0,3 mm y 1,0 mm. Se utilizan diferentes tipos de boquillas y métodos de calentamiento según el material que se vaya a imprimir. [14]
Los distintos tipos de boquillas tienen distintas formas de reemplazarlas. Las boquillas más utilizadas son las boquillas V6 que popularizó E3D y las boquillas MK8. El cambio de la boquilla [15] debe realizarse mientras está caliente, para evitar fugas de plástico.
El FFF comienza con un proceso de software que procesa un archivo STL , orienta el modelo para el proceso de construcción y lo corta matemáticamente según los parámetros de procesamiento seleccionados. Si es necesario, se pueden generar estructuras de soporte. [21]
La boquilla se puede mover tanto en dirección horizontal como vertical y está montada en una plataforma mecánica, que se puede mover en el plano xy .
A medida que la boquilla se mueve sobre la mesa en una geometría prescrita, deposita una fina gota de plástico extruido, llamada "camino", que se solidifica rápidamente al entrar en contacto con el sustrato y/o los caminos depositados anteriormente. [22] Las capas sólidas se generan siguiendo un movimiento de rasterización donde los caminos se depositan uno al lado del otro dentro de un límite de dominio envolvente.
Para mover el cabezal de extrusión se suelen utilizar motores paso a paso o servomotores . El mecanismo utilizado suele ser un diseño rectilíneo XYZ, aunque también se han empleado otros diseños mecánicos como el deltabot .
Una vez completada una capa, la plataforma se baja en la dirección z para iniciar la siguiente capa. Este proceso continúa hasta que se completa la fabricación del objeto.
Para que la unión de las carreteras sea exitosa durante el proceso, es necesario el control térmico del material depositado. El sistema puede mantenerse dentro de una cámara, manteniéndose a una temperatura inferior al punto de fusión del material que se está depositando.
Aunque como tecnología de impresión la FFF es muy flexible y es capaz de lidiar con pequeños voladizos mediante el apoyo de capas inferiores, la FFF generalmente tiene algunas restricciones en la pendiente del voladizo y no puede producir estalactitas sin apoyo .
Existen una gran variedad de materiales disponibles, como el acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), el ácido poliláctico (PLA), el policarbonato (PC), la poliamida (PA), el poliestireno (PS), la lignina y el caucho , entre muchos otros, con diferentes compensaciones entre las propiedades de resistencia y temperatura. Además, incluso el color de un material termoplástico determinado puede afectar la resistencia del objeto impreso. [23] Recientemente, una empresa alemana demostró por primera vez la posibilidad técnica de procesar PEEK granular en forma de filamento e imprimir piezas en 3D a partir del material del filamento utilizando tecnología FFF. [24]
Durante la FFF, el polímero fundido caliente se expone al aire. La operación del proceso FFF dentro de una atmósfera de gas inerte como nitrógeno o argón puede aumentar significativamente la adhesión de las capas y conduce a mejores propiedades mecánicas de los objetos impresos en 3D. [25] Un gas inerte se utiliza rutinariamente para prevenir la oxidación durante la sinterización selectiva por láser .
Durante la extrusión, el filamento termoplástico se introduce mediante presión mecánica a través de rodillos en el licuador (o hotend ), donde se funde y luego se extruye. La geometría de flujo del extrusor, el método de calentamiento y el comportamiento del flujo de fusión de un fluido no newtoniano son los factores principales a considerar en la pieza. Los rodillos son el único mecanismo de accionamiento en el sistema de suministro de material, por lo tanto, el filamento está bajo tensión de tracción aguas arriba del rodillo y bajo compresión en el lado aguas abajo, actuando como un émbolo. Por lo tanto, la tensión de compresión es la fuerza impulsora detrás del proceso de extrusión.
La fuerza necesaria para extruir el material fundido debe ser suficiente para superar la caída de presión en todo el sistema, que depende estrictamente de las propiedades viscosas del material fundido y de la geometría de flujo del licuador y la boquilla. El material fundido está sujeto a una deformación por cizallamiento durante el flujo. El comportamiento de adelgazamiento por cizallamiento se observa en la mayoría de los materiales utilizados en este tipo de impresión 3D. Esto se modela utilizando la ley de potencia para fluidos newtonianos generalizados.
La temperatura se regula mediante la entrada de calor de los calentadores eléctricos en espiral. El sistema ajusta continuamente la potencia suministrada a las espirales según la diferencia de temperatura entre el valor deseado y el valor detectado por el termopar, formando un bucle de retroalimentación negativa . Esto es similar a la calefacción ambiental de una habitación.
La FFF y otras tecnologías de fabricación aditiva mediante técnicas de extrusión de material (EAM) se utilizan comúnmente para la creación de prototipos y la fabricación rápida. La creación rápida de prototipos facilita las pruebas iterativas y, para tiradas muy cortas, la fabricación rápida puede ser una alternativa relativamente económica. [26] La EAM también se utiliza en la creación de prototipos de andamios para aplicaciones de ingeniería de tejidos médicos. [27] Además, la EAM con extrusión múltiple se ha vuelto muy popular para fabricar compuestos biomiméticos. [28] La FFF también se aplica en la fabricación en otros sectores, incluidos el aeroespacial, el automotriz, la construcción, la electrónica, la energía, los productos farmacéuticos, los deportes, los textiles y los juguetes. [29]
Existen múltiples proyectos en la comunidad de código abierto cuyo objetivo es procesar desechos plásticos posconsumo para convertirlos en filamentos. Estos proyectos involucran máquinas que se utilizan para triturar y extruir el material plástico para convertirlo en filamentos, como los robots de reciclaje .
Varios proyectos y empresas están realizando esfuerzos para desarrollar impresoras 3D asequibles para uso doméstico en el escritorio. Gran parte de este trabajo ha sido impulsado y dirigido por comunidades de aficionados al bricolaje , entusiastas y primeros usuarios , con vínculos adicionales con las comunidades académicas y de hackers . [30]
RepRap es uno de los proyectos más antiguos en la categoría de escritorio. El proyecto RepRap tiene como objetivo producir una impresora 3D de hardware libre y de código abierto (FOSH), cuyas especificaciones completas se publican bajo la Licencia Pública General de GNU , y que es capaz de replicarse a sí misma imprimiendo muchas de sus propias piezas (de plástico) para crear más máquinas. [2] [31] Ya se ha demostrado que las RepRaps pueden imprimir placas de circuitos [32] y piezas de metal. [33] [34] Fab@Home es el otro proyecto de hardware de código abierto para impresoras 3D DIY .
Debido a los objetivos FOSH de RepRap , muchos proyectos relacionados han utilizado su diseño como inspiración, creando un ecosistema de impresoras 3D relacionadas o derivadas, la mayoría de las cuales también son diseños de código abierto. La disponibilidad de estos diseños de código abierto significa que las variantes de impresoras 3D son fáciles de inventar. Sin embargo, la calidad y complejidad de los diseños de impresoras, así como la calidad del kit o los productos terminados, varía mucho de un proyecto a otro. Este rápido desarrollo de impresoras 3D de código abierto está ganando interés en muchas esferas, ya que permite la hiperpersonalización y el uso de diseños de dominio público para fabricar tecnología apropiada de código abierto . Esta tecnología también puede ayudar a las iniciativas de desarrollo sostenible , ya que las tecnologías se fabrican de manera fácil y económica a partir de recursos disponibles para las comunidades locales. [35] [36]
La personalización de productos impulsada por el cliente y la demanda de ahorro de costos y tiempo han aumentado el interés en la agilidad del proceso de fabricación. Esto ha llevado a mejoras en las tecnologías de creación rápida de prototipos. [22] El desarrollo de extrusores avanza rápidamente debido al movimiento de impresoras 3D de código abierto provocado por productos como RepRap. E3D y BondTech son los fabricantes de extrusores más conocidos actualmente en el mercado. Se ven mejoras constantes en forma de mayor temperatura de calentamiento de los licuadores, mejor control y precisión de las impresiones y mejor soporte para una amplia variedad de materiales. Además del hardware mejorado, la capacidad de calibrar el extrusor [37] de acuerdo con la configuración del hardware ha avanzado mucho.
El costo de las impresoras 3D ha disminuido drásticamente desde aproximadamente 2010, y máquinas que solían costar US$20.000 ahora cuestan menos de US$1.000 . [38] Por ejemplo, a partir de 2017, varias empresas e individuos están vendiendo piezas para construir varios diseños de RepRap , con precios que comienzan en aproximadamente £99 / US$100 . [39]
El proyecto de código abierto Fab@Home [40] ha desarrollado impresoras para uso general con cualquier cosa que pueda extruirse a través de una boquilla, desde chocolate hasta sellador de silicona y reactivos químicos. Las impresoras que siguen los diseños del proyecto están disponibles a través de proveedores en kits o en forma preensamblada desde 2012 a precios que rondan los 2.000 dólares estadounidenses .
Las impresoras 3D LulzBot fabricadas por Aleph Objects son otro ejemplo de una aplicación de código abierto de la tecnología de modelado por deposición fundida. El modelo estrella de la línea LulzBot, la impresora TAZ, se inspira para su diseño en los modelos RepRap Mendel90 y Prusa i3 . La impresora 3D LulzBot es actualmente la única impresora del mercado que ha recibido la certificación "Respeta tu libertad" de la Free Software Foundation . [41]
A partir de septiembre de 2018, las impresoras estilo RepRap están disponibles en forma de kit a través de minoristas en línea. Estos kits vienen completos con todas las piezas necesarias para crear una impresora funcional, que a menudo incluye archivos electrónicos para la impresión de prueba, así como una pequeña cantidad de filamento PLA.
Los filamentos utilizados para imprimir con impresoras FDM también son sustancialmente más rentables que sus contrapartes de resina SLA. Si usamos 3DBenchy como punto de referencia para comparar ambas tecnologías, costaría aproximadamente $0,20 imprimir un modelo de este tipo con una máquina FDM, mientras que el mismo objeto costaría casi $1,00 si se creara con resina. [42]
El plástico es el material más común para la impresión 3D mediante FFF y otras variantes de EAM. Se pueden utilizar varios polímeros [43] , incluidos acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), policarbonato (PC), ácido poliláctico (PLA), polietileno de alta densidad (HDPE), PC/ABS, tereftalato de polietileno (PETG), polifenilsulfona (PPSU) y poliestireno de alto impacto (HIPS). En general, el polímero se presenta en forma de filamento fabricado a partir de resinas vírgenes. Además, en el proceso se utilizan fluoropolímeros como tubos de PTFE debido a la capacidad del material para soportar altas temperaturas. Esta capacidad es especialmente útil para transferir filamentos.
Las diferentes variantes de EAM, es decir, de fabricación aditiva basada en extrusión de materiales, permiten trabajar con muchos tipos de materiales adicionales, resumidos en la siguiente tabla. Se pueden extruir e imprimir en 3D varias clases de materiales:
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La mayoría de las impresoras de filamento fundido siguen el mismo diseño básico. Se utiliza una cama plana como punto de partida para la pieza de trabajo de impresión. Un pórtico encima de esto lleva el cabezal de impresión móvil. El diseño del pórtico está optimizado para el movimiento principalmente en las direcciones horizontales X e Y, con un ascenso lento en la dirección Z a medida que se imprime la pieza. Los motores paso a paso impulsan el movimiento a través de husillos o transmisiones por correa dentada . Es común, debido a las diferencias en la velocidad de movimiento, utilizar correas dentadas para los accionamientos X, Y y un husillo para Z. Algunas máquinas también tienen movimiento en el eje X en el pórtico, pero mueven la cama (y el trabajo de impresión) para Y. Como, a diferencia de los cortadores láser , las velocidades de movimiento del cabezal son bajas, los motores paso a paso se utilizan universalmente y no es necesario utilizar servomotores en su lugar.
Muchas impresoras, originalmente aquellas influenciadas por el proyecto RepRap , hacen un uso extensivo de componentes impresos en 3D en su propia construcción. Estos son típicamente bloques de conexión impresos con una variedad de agujeros en ángulo, unidos por una varilla roscada de acero barata . Esto hace que una construcción sea barata y fácil de ensamblar, permite fácilmente juntas de armazón no perpendiculares, pero requiere acceso a una impresora 3D. La noción de " arrancar " impresoras 3D como esta ha sido algo así como un tema dogmático dentro de los diseños de RepRap. La falta de rigidez en la varilla también requiere triangulación , o da el riesgo de una estructura de pórtico que se flexiona y vibra en servicio, reduciendo la calidad de impresión.
Muchas máquinas, especialmente las comerciales como la Bambu X1, la Ultimaker S Series y la Creality K2, utilizan ahora marcos semicerrados con forma de caja de madera contrachapada cortada con láser, plástico, chapa de acero prensada y, más recientemente, extrusiones de aluminio. Son económicos, rígidos y también se pueden utilizar como base para un volumen de impresión cerrado, lo que permite controlar la temperatura en su interior para controlar la deformación del trabajo de impresión.
Un puñado de máquinas utilizan en cambio coordenadas polares, normalmente máquinas optimizadas para imprimir objetos con simetría circular. Estas tienen un movimiento de pórtico radial y una plataforma giratoria. Aunque existen algunas ventajas mecánicas potenciales para este diseño para imprimir cilindros huecos, su geometría diferente y el enfoque no convencional resultante para la planificación de la impresión aún les impiden ser populares por ahora. Aunque es una tarea fácil para la planificación del movimiento de un robot convertir de coordenadas cartesianas a polares, obtener alguna ventaja de este diseño también requiere que los algoritmos de corte de impresión sean conscientes de la simetría rotacional desde el principio.
Las formas en que se montan los extrusores en el resto de la máquina han evolucionado con el tiempo hasta convertirse en estándares de montaje informales. Estos estándares de factores permiten probar nuevos diseños de extrusores en estructuras de impresoras existentes, y que los nuevos diseños de estructuras de impresoras utilicen extrusores existentes. Estos estándares informales incluyen: [14]
Un enfoque diferente se adopta con las impresoras de patrones 'Rostock' o 'Kossel', basadas en un mecanismo de robot delta . [53] [54] Estas tienen un gran volumen de impresión abierto con un robot delta de tres brazos montado en la parte superior. Este diseño de robot se destaca por su baja inercia y capacidad de movimiento rápido sobre un gran volumen. Sin embargo, la estabilidad y la libertad de vibración al mover un cabezal de impresión pesado en el extremo de brazos delgados es un desafío técnico. Este diseño ha sido favorecido principalmente como un medio para obtener un gran volumen de impresión sin un pórtico grande y pesado.
A medida que el cabezal de impresión se mueve, la distancia de su filamento desde la bobina de almacenamiento hasta el cabezal también cambia; la tensión creada en el filamento es otro desafío técnico a superar para evitar afectar la calidad de impresión.