La velocidad de impresión 3D mide la cantidad de material fabricado durante un período de tiempo determinado ( ), donde la unidad de tiempo se mide en segundos, y la unidad de material fabricado generalmente se mide en unidades de kg, mm o cm 3 , dependiendo del tipo de técnica de fabricación aditiva.
La siguiente tabla compara las velocidades de las tecnologías de impresión 3D comercialmente relevantes .
La velocidad de impresión 3D se refiere únicamente a la etapa de construcción, un subcomponente de todo el proceso de impresión 3D. Sin embargo, todo el proceso abarca desde las etapas de preprocesamiento hasta posprocesamiento. [5] El tiempo necesario para imprimir una pieza completa desde un archivo de datos (.stl o .obj ) se calcula como la suma del tiempo de las siguientes etapas:
La etapa de preprocesamiento , que abarca el proceso de preparación tanto de la pieza como de la impresora. Esto es necesario antes de que comience la impresión real. Se calcula como la suma del tiempo requerido para los siguientes procesos:
Posicionamiento y orientación de la pieza a imprimir.
Ingresar los parámetros (por ejemplo, espesor de capa, tipo de material) dentro del software de la impresora
Generación de la estructura de soporte.
Generación de rodajas (slicing)
Generación del plan de trayectoria de la herramienta por parte del software.
Calentamiento y carga de materiales de soporte y construcción.
La configuración de los ejes xy y z.
Diagnóstico, limpieza o pruebas adicionales.
La etapa de construcción , que es el tiempo de impresión real después de que los datos preparados se transfieren a la impresora para su fabricación. Puede considerarse como la suma de los siguientes períodos:
Tiempo de fabricación, cuando se están fabricando la pieza y los materiales de soporte.
Tiempo de inactividad, tiempo no productivo como movimiento del eje z, tiempo de enfriamiento, nivelación, movimiento no productivo del cabezal de impresión
La etapa de posprocesamiento , que es la etapa final, tiene lugar después de la fabricación de la pieza. Incluye los siguientes procesos:
Quitar los soportes
Refinar la superficie para obtener la calidad superficial deseada [6]
Acelerar
Las tecnologías de fabricación aditiva suelen implicar un equilibrio entre la velocidad y la calidad de la impresión. [7] Las mejoras en la velocidad de todo el proceso de impresión 3D se pueden agrupar en las dos categorías siguientes.
Mejoras de software
Dado que el proceso de impresión real está directamente influenciado por cómo se corta, orienta y rellena el modelo, optimizarlo da como resultado un tiempo de impresión más corto.
Orientación óptima. Se puede cambiar la orientación de una pieza a través del archivo STL o en el modelo CAD . Determinar la orientación óptima de las piezas es una solución de software común para todos los procesos de fabricación aditiva. Esto puede conducir a una mejora significativa en muchos factores clave que afectan el tiempo total de impresión. Los siguientes factores dependen en gran medida de la orientación de la pieza:
La altura de la pieza en la dirección de construcción. La velocidad de construcción es más lenta en la dirección z que en las direcciones xy. Al minimizar la altura, se reducirá el número de capas. Por tanto, tanto el tiempo de fabricación como el de inactividad disminuyen.
Un volumen total de material de soporte y área total de contacto de la pieza con la estructura de soporte. Cuanto menos material de soporte se utilice, más rápido será el tiempo de construcción y el tiempo de acabado para retirar los soportes. Al minimizar el volumen de soporte se deposita menos material por lo que, en general, el tiempo de fabricación disminuye. Este factor influye en los procesos que utilizan estructuras de soporte externas, como SLA, FDM.
La calidad de la superficie total. La orientación de una pieza determina qué caras están sujetas al efecto escalera, un artefacto de estratificación. Al maximizar la calidad de la superficie, disminuye el tiempo necesario para terminar la superficie con la tolerancia deseada. [6]
Rebanado uniforme y adaptable
Rebanado adaptativo . El error causado por el efecto escalera se puede medir utilizando varias métricas, todas las cuales se refieren a la diferencia entre la superficie del modelo y la superficie impresa real. Al calcular de forma adaptativa la distribución de altura de las capas, este error se puede minimizar: la calidad de la superficie aumenta mientras que el tiempo de posprocesamiento disminuye. Los beneficios del corte adaptativo dependen de la proporción de la relación superficie-volumen de la pieza. Es posible realizar un cálculo eficiente de capas adaptativas analizando la superficie del modelo en toda la altura de la capa. Varias implementaciones están disponibles como software de código abierto. [7]
Mejoras de hardware
Aumentar la velocidad de impresión a través de hardware puede adoptar las siguientes formas, muchas de las cuales son utilizadas por las principales empresas de impresión 3D.
Cabezales de impresión modificados: utilizando diferentes tipos de cabezales de impresión para diferentes procesos de impresión. Por ejemplo, tener un alimentador de cuchillas adicional para evitar el deslizamiento del filamento .
Temperatura: incluyendo un láser adicional para fundir el filamento antes de pasar al extrusor. Esto evita el calentamiento innecesario del cabezal de impresión, reduciendo así el tiempo de enfriamiento del cabezal.
Minimizar la fuerza de adhesión dentro de la capa muerta de las tecnologías basadas en proyectores de luz digital. [8]
Tecnología de impresión con dispensación de gel, que extruye un material de gel que se endurece inmediatamente mediante curado con LED UV [4]
Agregar más cabezales de impresión que colaboran mediante la planificación de rutas para aumentar la velocidad de impresión. [9]
Utilizar tipos especiales de materiales para tecnologías de fabricación específicas. [5]
Desafíos
Dependiendo de la tecnología utilizada, existen algunos desafíos que podrían limitar la velocidad de la impresión 3D:
Optimización de formas . Dado que el interior de un producto se puede rellenar utilizando muchas estructuras diferentes, es necesaria la optimización del diseño mediante la fabricación aditiva. Encontrar la mejor manera de rellenar el interior de un producto dadas ciertas limitaciones es un problema desafiante.
Orientación de la pieza. En teoría, hay infinitas orientaciones. Dependiendo del propósito de la pieza, es posible que no haya una orientación óptima al intentar optimizar varios criterios a la vez.
Rebanar. Dos desafíos principales con el corte son el efecto escalera y el problema de contención.
Planificación de trayectorias de herramientas. Dado que la velocidad de la herramienta de impresión puede cambiar el tamaño de la capa, es necesario tener en cuenta las propiedades físicas y mecánicas del proceso durante la planificación de la trayectoria de la herramienta.
Postprocesamiento. El material de soporte retirado aún puede dejar rebabas o residuos que se pueden pulir utilizando otros métodos como lijar la pieza a mano, granallado, mecanizado tradicional o acabado con acetona.
Problemas de hardware y mantenimiento. Después de imprimir una pieza, se requieren procedimientos de limpieza típicos para garantizar que las operaciones continúen con la misma calidad. Dependiendo del tipo de material utilizado, es necesario ajustar los parámetros de los láseres para evitar un curado excesivo o sinterización innecesarios.
Metodologías de impresión. Cada método de impresión tiene sus pros y sus contras. Por ejemplo, los métodos basados en DLP tienen la ventaja de fabricar toda la capa a la vez. Sin embargo, el tiempo de inactividad del DLP es mayor debido a la fuerza de adhesión. El método basado en SLA utiliza dos o más láseres que se cruzan en puntos específicos para curar el material (curado punto por punto); sin embargo, presenta desafíos tanto en la planificación como en la implementación. Los métodos sin capas tienen una planificación de rutas más complicada. [5]
Investigación
1. Material homogéneo 2. Se aplica el campo de ultrasonido estructurado 3. Se aplica luz UV para curar la forma resultante del paso anterior
fabricación acústica
Las interesantes características de las ondas sonoras han animado a los científicos a utilizarlas en la fabricación aditiva. Las ondas sonoras pueden formar campos de presión que dan al material la forma deseada en una configuración sin contacto. El hecho de que pueda aplicarse sobre una gran superficie al mismo tiempo lo convierte en un buen candidato para una fabricación rápida. [10]
El proceso comienza con el diseño de un holograma acústico. Un holograma acústico es una máscara que dirigirá el campo sonoro para formar el patrón deseado. Se puede fabricar mediante una fabricación aditiva combinada con métodos de grabado y nanoimpresión . El proceso sigue colocando partículas de caucho de silicona en un medio líquido con agentes fotoiniciadores. Luego, la máscara acústica se utiliza para generar el campo de sonido de presión deseado para colocar las partículas en el orden correcto. El siguiente paso es aplicar la luz ultravioleta para solidificar el producto final. [10]
Fabricación aditiva rápida y continua mediante patrones de inhibición
Procesos SLA mejorados
La velocidad de los procesos SLA está limitada por:
Adhesión del material curado a la ventana de proyección.
Alteración de la superficie de la resina.
Fabricación aditiva rápida y continua mediante patrones de inhibición.
Debido a los efectos mencionados, la velocidad de impresión con los métodos SLA está limitada a unos pocos milímetros a varios centímetros por hora. Para abordar este problema se utiliza un sistema de dos fuentes de luz, una para la polimerización y otra para inhibir la polimerización para evitar la adhesión y, como resultado, imprimir más rápido. Este método nos permite acelerar el proceso hasta 200 cm/hr. Además, al controlar la intensidad de cada píxel en la configuración, se pueden crear patrones topográficos en una sola exposición sin traducción de escenario. [11]
En la configuración se utiliza una mezcla de fotoiniciadores y fotoinhibidores. Los espectros de absorbancia de dos materiales son ortogonales, lo que permite controlar el proceso con las dos fuentes de luz ortogonales. A medida que el material se genera capa por capa, la bandeja se levanta gradualmente y los fotoinhibidores no permitirán la adhesión cerca de la ventana. [11]
Impresión 3D rápida, de gran volumen y controlada térmicamente, utilizando una interfaz líquida móvil
Otra forma de abordar el problema de la adhesión es crear una capa muerta que impida el proceso de curado. Un método para crear esta capa muerta es utilizar un flujo de aceite fluorado. Este líquido es omnifóbico, lo que significa que repele todos los materiales y no se pega a nada. La razón para utilizar un flujo en lugar de una capa estática es crear una fuerza mayor contra la fuerza de adhesión y también ayudar con el enfriamiento de la capa curada (el curado genera calor). [8]
Impresión 3D rápida mediante la integración de bloques de construcción
Dividir un objeto en bloques más pequeños (por ejemplo, piezas de Lego ) antes de imprimirlo puede aumentar la velocidad hasta 2,44 veces con respecto al método de impresión convencional. Además, cuando es necesario iterar el objeto para encontrar el diseño óptimo, no es eficiente reimprimir todo el objeto una y otra vez: una solución es imprimir la estructura constante principal solo una vez y reimprimir solo las pequeñas partes cambiantes con alta resolución. Estas piezas más pequeñas están montadas en la estructura principal. [12]
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