Optimización FDM: Impresión 3D

El documento inicia reconociendo el auge de la impresión 3D en la industria y la sociedad, destacando su uso en la creación de prototipos. Si bien se ha avanzado en la calidad superficial y las tolerancias geométricas de las piezas, existe una carencia de información sobre el comportamiento mecánico de las piezas fabricadas con esta tecnología. Esto se justifica por la reciente popularización de la impresión 3D, impulsada por la evolución tecnológica y la reducción de precios, lo que ha generado un gran interés en este nuevo método de fabricación que ofrece libertad de diseño, rapidez y bajo costo. El proyecto, que se estructura en siete partes, busca precisamente abordar esta falta de información, analizando el comportamiento mecánico de piezas impresas en 3D. Se menciona la utilización de software CAD para el diseño, la conversión a formato STL para el procesamiento y la generación de código G para la impresora 3D.

Se detallan tres tecnologías de impresión 3D: Estereolitografía (SLA), que utiliza resina fotopolimérica curada con un láser ultravioleta, capa por capa; Procesamiento de Luz Digital (DLP), similar a SLA pero con una fuente de luz convencional (lámpara de arco) y un DMD, resultando en un proceso más rápido y con menos residuos; y Modelado Multi-chorro (MJM), que emplea múltiples cabezales de inyección de fotopolímero y lámparas UV, permitiendo el cambio de material durante la impresión para obtener propiedades mecánicas diferentes. Se enfatiza la precisión de SLA y la eficiencia de DLP, mientras que MJM se destaca por su versatilidad en el uso de materiales. Se describe también un segundo grupo de tecnologías que trabajan con material en base de polvo, uniendo las capas mediante fusión o aglomerantes, con polímeros, cerámicos y metales. Se mencionan Direct Metal Laser Sintering (DMLS) y Binder Jetting, destacando la ausencia de necesidad de material de soporte en estas tecnologías de polvo.

Se describe Laminated Object Manufacturing (LOM), una tecnología desarrollada por Helisys Inc., que une láminas de material (papel, plástico o metal) mediante un sistema de corte automatizado o láser. Posteriormente, se presenta la tecnología Fused Deposition Modeling (FDM), la más popular en la actualidad y la utilizada en este estudio. FDM emplea filamento termoplástico (PLA, ABS, y sus derivados como el Wood Filament) que se deposita en capas fundidas a través de un extrusor. Se explican los parámetros de configuración de la impresora, como la altura de capa, las velocidades de impresión (perímetros y rellenos), y la temperatura del extrusor, enfatizando su influencia en la calidad y propiedades de la pieza. Se menciona el uso de una impresora Prusa i3 controlada por el software Repetier-Host en el proyecto.

Se describen brevemente las propiedades y aplicaciones de otros materiales de impresión 3D relevantes para el estudio, abordando las características del Nylon, destacando su robustez, resistencia a la fatiga y aplicaciones en sectores como la alimentación, arquitectura, y la industria automovilística. Se incluye información sobre el elastómero termoplástico TPE (Filaflex), conocido por su flexibilidad y adherencia, con aplicaciones que incluyen fundas para móviles. Finalmente, se describe el PET (tereftalato de polietileno), material utilizado en envases de alimentos y bebidas, caracterizado por ser reciclable, resistente, y rígido, ideal para envases. Estas descripciones se hacen como ejemplos de los materiales empleados en la impresión 3D y su capacidad para satisfacer diversas necesidades.

Esta sección describe los parámetros clave en la impresión 3D FDM que influyen en las propiedades mecánicas de las piezas resultantes. Se detalla la importancia de la altura de capa, explicando cómo una altura mayor reduce la calidad pero acelera el proceso, mientras que una altura menor mejora la calidad pero incrementa el tiempo de impresión. Se destaca el impacto en la unión entre capas y entre filamentos. La velocidad de impresión, otro parámetro crucial, se analiza diferenciando las velocidades para perímetros (externos, pequeños) y rellenos (sólido, superior), indicando que se recomienda mantener las velocidades de perímetros pequeños en su configuración inicial para evitar problemas de deposición del filamento. La temperatura del extrusor, dependiente del material y fabricante, requiere ajustes mediante pruebas para obtener el mejor acabado y adherencia. Finalmente se menciona el ancho de extrusión, ligeramente superior al diámetro de la boquilla debido al efecto 'swelling', y que es un factor que se puede configurar en el software de procesamiento.

Se analiza la unión del filamento en dos tipos: entre hilos de una misma capa (más fuerte) y entre capas (más débil debido al enfriamiento y menor difusión molecular). Se explica que la dirección de fabricación es un parámetro crucial, ya que la alineación de los hilos con la dirección del esfuerzo influye en la resistencia de la pieza (paralelos en tracción, perpendiculares en compresión). Se describe el efecto 'swelling', donde el material se deforma al pasar por la boquilla extrusora a alta temperatura, acumulando energía elástica que aumenta el grosor del hilo al salir. Este efecto se puede configurar en los softwares de procesamiento. Se mencionan los parámetros escogidos para el estudio, priorizando los más influyentes y flexibles según el material, usando una boquilla de 0.5 mm para el Timberfill (debido a las fibras de madera), y se deja constante este valor. Finalmente se explica el uso de diseños de Taguchi con arreglos ortogonales para analizar los efectos de los factores en la media y variación de la respuesta.

Se explican las dificultades en conseguir bobinas de Timberfill del mismo lote y tipo de madera, lo que podría afectar los resultados. Se indica que se usaron dos bobinas de Timberfill Cinnamon de diferentes lotes y dos de Timberfill Rosewood del mismo lote. Se establece que esto resulta en tres tipos de materiales con pequeñas variaciones. Se detalla que para cada experimento se utilizaron 5 probetas y se calcula la media de los parámetros a estudiar. Se advierte sobre la imposibilidad de obtener resultados fiables sobre los parámetros de rotura (tensión y alargamiento de rotura) debido a roturas incorrectas o parciales en muchas probetas, por lo que estos parámetros se excluyen del análisis con el método Taguchi. Se describe el proceso de recolección y análisis de datos en una plantilla de Excel y una base de datos de Microsoft Access, lo cual ayuda a simplificar la consulta de los datos.

El estudio se centra en el filamento Timberfill, un material compuesto que combina fibras de madera con polímeros. Se utilizan dos variantes: Timberfill Cinnamon y Timberfill Rosewood. La presencia de fibras de madera influye significativamente en las propiedades mecánicas del material y en el comportamiento de las piezas impresas, especialmente en la resistencia a la rotura, donde se observan roturas parciales e inconsistencias en los resultados, debido a la variabilidad del material entre diferentes lotes y tipos de madera. Las recomendaciones del fabricante para la extrusión del Timberfill, incluyendo el uso de una boquilla de 0.5 mm de diámetro, son seguidas en el estudio, fijando así este parámetro y limitando su variabilidad en el análisis.

Se mencionan el PLA y el ABS como materiales comunes en la impresión 3D FDM. El PLA se destaca por ser biodegradable, y existen variantes combinadas con este material, como el Wood Filament de Fillamentum que incluye fibras de madera. El ABS es otro termoplástico habitual en este proceso. La descripción de estos materiales sirve como contexto para contrastar sus características con otros materiales más especializados y con el material principal del estudio, el Timberfill. La evolución de la tecnología FDM ha incrementado el número de materiales disponibles, incluyendo opciones con propiedades más específicas y combinaciones para responder a las necesidades de distintos campos.

Se describe el Nylon, destacando sus excelentes propiedades mecánicas: dureza, capacidad de elongación, resistencia química y al quiebre, y resistencia a la fatiga. Se enfatiza la alta resistencia a la fatiga del Nylon en piezas fabricadas mediante FFF (Fused Filament Fabrication), superando en hasta un 300% a otros materiales FDM. También se destaca su buena laminación en el eje Z y su alta resistencia al impacto, así como su excelente resistencia química. Su amplia gama de aplicaciones se ilustran con ejemplos en sectores diversos como la alimentación, arquitectura, agricultura, juguetes, fotografía, informática, electrónica, ingeniería, transporte y seguridad, mostrando la versatilidad de este material en la fabricación de piezas mediante impresión 3D.

Se presenta el TPE, específicamente el Filaflex, un elastómero termoplástico con base de poliuretano y aditivos para impresión 3D. Se destaca su flexibilidad y resistencia, manteniendo sus propiedades y diámetro durante la impresión, y su buena adherencia a la plataforma. Finalmente, se describe el PET (tereftalato de polietileno), un material resistente, rígido, y transparente utilizado en envases de bebidas y alimentos, caracterizado por ser reciclable y por requerir refrigeración tras la extrusión para mantener su traslucidez. Se indica que es uno de los polímeros más resistentes en la industria y que funciona bien en impresoras 3D, lo cual amplía el espectro de materiales utilizados en el contexto de la investigación sobre las propiedades mecánicas de la impresión 3D.

El estudio utiliza el método Taguchi para analizar el comportamiento mecánico del Timberfill en la impresión 3D FDM. Este método estadístico, basado en arreglos ortogonales, permite evaluar la influencia de diferentes parámetros de impresión de forma eficiente, estimando los efectos de los factores en la media y la variación de la respuesta. La utilización de diseños fraccionados reduce el tiempo y costo del experimento. Se analizan los parámetros más influyentes (según estudios previos y flexibilidad del material): altura de capa, velocidad de impresión (perímetros y rellenos), densidad de relleno y orientación de impresión. Se utilizan dos tipos de Timberfill (Cinnamon y Rosewood), con diferentes lotes para cada uno, lo que introduce una variable a considerar en el análisis de resultados. Para cada combinación de parámetros se fabrican 5 probetas, calculando la media de los resultados para cada parámetro.

Se analizan las propiedades mecánicas: módulo de Young, límite elástico, alargamiento elástico, tensión máxima, y tensión y alargamiento a la rotura. Sin embargo, debido a la alta incidencia de roturas incorrectas o parciales de las probetas, se decide excluir del análisis del método Taguchi la tensión y alargamiento a la rotura. Se describe el uso de una plantilla en Excel para el análisis de los datos y una base de datos en Microsoft Access para la gestión de la información de cada probeta. Se establece que un factor es influenciable cuando su significancia es del 5% (p-valor < 0.05). Se observa que la altura de capa es el único parámetro que cumple este criterio de significancia. La velocidad de impresión, aunque muestra tendencia lineal, no tiene significancia estadística debido a su pequeño rango. La densidad de relleno muestra una influencia débil en el límite elástico. La orientación de impresión tiene una influencia notable, mostrando una gran diferencia en los resultados entre las diferentes orientaciones.

El análisis de los resultados revela que la orientación de impresión es un factor determinante en la resistencia de las probetas, con la orientación en el plano OZ a 0° mostrando los mejores resultados debido a la disposición de los filamentos y perímetros. La altura de capa también influye significativamente, con mayores alturas resultando en mayor resistencia debido al mayor grosor del filamento y menor número de uniones entre capas. La densidad de relleno muestra una mejora en las propiedades a medida que aumenta, especialmente en el Módulo de Young. La velocidad de impresión tiene un efecto insignificante en las propiedades mecánicas, posiblemente debido al pequeño rango analizado y a las dificultades de impresión del Timberfill a altas velocidades. La variabilidad en el material (diferentes lotes de Timberfill) influye en los resultados, especialmente en la zona elástica. Se observa que en la orientación de plano Z a 0º se produce una alta incidencia de roturas incorrectas, probablemente debido a la orientación de las fibras de madera en el material compuesto.

El análisis de los resultados se realizó utilizando una plantilla en Excel, considerando datos del ensayo, metrología de las probetas y su diseño. Se calcularon parámetros como el módulo de Young, límite elástico, alargamiento elástico, tensión máxima, y tensión y alargamiento a la rotura. Para un análisis más exhaustivo, se creó una base de datos en Microsoft Access, que permitió generar informes específicos para cada probeta. Sin embargo, debido a la alta frecuencia de roturas incorrectas o parciales de las probetas, los datos de tensión y alargamiento a la rotura no son considerados fiables para un análisis estadístico profundo, descartándose su análisis mediante el método Taguchi. El análisis se centró en las propiedades mecánicas en la zona elástica, descartando los datos de rotura.

El análisis estadístico individual de cada factor se realizó considerando una significancia del 5% (p-valor < 0.05). Se observó que la altura de capa es el único factor que cumple este criterio de significancia. La velocidad de impresión, a pesar de mostrar una clara tendencia lineal, no fue considerada estadísticamente válida debido a su reducido rango. La densidad de relleno tuvo una influencia poco notable en el límite elástico, con un aumento significativo solo entre 50% y 75% de relleno. La orientación de la impresión demostró tener un impacto significativo, observándose resultados muy bajos en el límite elástico con una orientación y valores muy altos con otra. La orientación en el plano OZ a 0° resultó en los mayores valores de límite elástico.

La orientación de impresión en el plano OZ a 0° mostró la mayor resistencia en la zona elástica, debido a la disposición de los filamentos y perímetros. Estos perímetros cubren las dos caras grandes de las probetas, con filamentos paralelos a la dirección de la fuerza, resultando en mayor resistencia. En otras orientaciones, el relleno juega un papel más importante. Esta orientación también presenta un menor alargamiento debido a la disposición paralela de los filamentos a la fuerza. Curiosamente, estas probetas tienden a romper en varias roturas parciales. La altura de capa también influye, con mayores alturas resultando en mayores resistencias específicas (límite elástico y tensión máxima), debido al mayor grosor del filamento, menor número de uniones entre capas y un enfriamiento más gradual que reduce las tensiones internas. La densidad de relleno tuvo un efecto positivo, aunque poco significativo, mejorando las propiedades a medida que aumentaba. La velocidad de impresión tuvo una influencia mínima, probablemente debido a su limitado rango y las dificultades de impresión del Timberfill a altas velocidades.

Se observó cierta incoherencia en el límite elástico con respecto a la altura de capa y tipo de material (Timberfill Cinnamon vs. Rosewood). La densidad de relleno del 50% se asocia mayormente al material Rosewood, lo que afecta a la tensión de límite elástico y tensión máxima. El ancho de extrusión se mantuvo constante en todas las alturas de capa debido a las características del Timberfill, lo que implicó que el grosor real del filamento variaba con la altura de capa. La densidad de relleno impactó mayormente en el Módulo de Young, incrementándolo con mayor densidad. Una menor densidad implica menor contacto entre hilos dentro de una capa, resultando en uniones más débiles. Una mayor densidad implica más hilos actuando como refuerzo. En resumen, la orientación y la altura de capa fueron los parámetros más relevantes en la determinación de las propiedades mecánicas, mientras que la velocidad de impresión tuvo poca incidencia.