Fabricación de filamentos fundidos

La fabricación de filamentos fundidos ( FFF ), también conocida como modelado de deposición fundida (con el acrónimo de marca registrada FDM ), o denominada fabricación de filamentos libres , 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 el trabajo de crecimiento. El cabezal de impresión se mueve bajo el control de la computadora para definir la forma impresa. Por lo general, la cabeza se mueve en dos dimensiones para depositar un plano horizontal, o capa, a la vez; el trabajo o el cabezal de impresión se mueve verticalmente una pequeña cantidad para comenzar una nueva capa. La velocidad del cabezal de la extrusora también se puede controlar para detener y comenzar la deposición y formar un plano interrumpido sin encordar o gotear entre secciones. La "fabricación de filamentos fundidos" fue acuñada por los miembros del proyecto RepRap para dar una frase que no tendría restricciones legales en su uso, bajo la creencia errónea de que una marca comercial protegía el término "modelado de deposición fundida". [2]

Prusa I3 , una sencilla impresora de filamentos fundidos

La impresión de filamentos fundidos es ahora el proceso más popular (por número de máquinas) para la impresión 3D de grado aficionado. [3] Otras técnicas como la fotopolimerización y la sinterización en polvo pueden ofrecer mejores resultados, pero son mucho más costosas.

Ilustración de una extrusora de accionamiento directo que muestra el nombre de las piezas.

El cabezal de la impresora 3D o la extrusora de la impresora 3D es una parte en la fabricación aditiva de extrusión de material responsable de la fusión de la materia prima y la formación de un perfil continuo. Se extruye una amplia variedad de materiales de filamentos , incluidos termoplásticos como acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), [4] ácido poliláctico (PLA), polietilen tereftalato de glicol (PETG), polietilen tereftalato (PET), poliestireno de alto impacto (HIPS), poliuretano termoplástico (TPU) y poliamidas alifáticas (nailon). [5]

Una impresora FDM de escritorio fabricada por Stratasys.

El modelado de 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] la gente podía usar este tipo de impresión sin pagar a Stratasys. por el derecho a hacerlo, abriendo aplicaciones de impresoras 3D comerciales, de bricolaje y de código abierto ( RepRap ). Esto ha llevado a una caída de precios de dos órdenes de magnitud desde la creación de esta tecnología. [9] Stratasys sigue siendo propietaria de la marca comercial del término "FDM". [10] [11]

La impresión 3D, también conocida como fabricación aditiva (AM), implica la fabricación de una pieza depositando material capa por capa. [12] Existe una amplia gama de diferentes tecnologías de AM que pueden hacer esto, incluida la extrusión de material, el chorro de aglomerante, el chorro de material y la deposición de energía dirigida. [13] Estos procesos tienen variados tipos de extrusoras y extruyen diferentes materiales para lograr el producto final.

Extrusión de material

Producción de filamentos con extrusora
Diagrama de una extrusora de accionamiento directo .

La fabricación de filamentos fundidos utiliza extrusión de material para imprimir artículos, donde un material de materia prima se empuja a través de una extrusora. En la mayoría de las máquinas de impresión 3D de fabricación de filamentos fundidos, el material de la materia prima se presenta en forma de filamento enrollado en un carrete.

El licuador de impresora 3D es el componente predominantemente utilizado en este tipo de impresión. Las extrusoras para estas impresoras tienen un extremo frío y un extremo caliente. El extremo frío tira material del carrete , aplicando un par de torsión basado en engranajes o rodillos al 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 un líquido delgado. Permite que el material fundido salga de la pequeña boquilla para formar una gota de plástico delgada y pegajosa que se adherirá al material sobre el que se coloca. La boquilla suele tener un diámetro de entre 0,3 mm y 1,0 mm. Se utilizan diferentes tipos de boquillas y métodos de calentamiento dependiendo del material a imprimir. [14]

Los diferentes tipos de boquillas tienen diferentes formas de reemplazarlos. Las boquillas más utilizadas son las boquillas V6 que se hicieron populares con las boquillas E3D y MK8. El cambio de la boquilla [15] debe realizarse en caliente, para evitar fugas de plástico.

Variantes del proceso

  • Extrusión en caliente de varillas : en este tipo de máquinas de impresión 3D, la materia prima tiene forma de varilla en lugar de filamento. Dado que la varilla es más gruesa que el filamento, se puede empujar hacia el extremo caliente por medio de un pistón o rodillos, aplicando una fuerza y ​​/ o velocidad mayor que la FFF convencional. [dieciséis]
  • Extrusión en frío de lechadas - [17] En este tipo de máquinas de impresión 3D, la materia prima se presenta en forma de lechada , pasta o arcilla, todas las cuales son una suspensión viscosa de partículas sólidas de polvo en un medio líquido, que se seca después declaración. En este caso, el material se empuja generalmente hacia la boquilla por la acción de un pistón y la boquilla no se calienta. Los materiales similares a pasta, como la cerámica y el chocolate, se pueden extruir utilizando el proceso de filamento fundido y una extrusora de pasta especializada. [18]
  • Extrusión en caliente de gránulos : en este tipo de máquinas de impresión 3D, la materia prima se presenta en forma de gránulos , es decir, pequeños gránulos de material termoplástico [19] o mezclas de aglutinantes termoplásticos con cargas en polvo. [20] El material es empujado hacia la boquilla por la acción de un pistón o un tornillo giratorio, que están contenidos por un cilindro de extrusión. En este caso, se calienta todo el cilindro de extrusión, junto con la boquilla.

Impresión

En la fabricación de filamentos fundidos, un filamento a) de material plástico se alimenta a través de un cabezal móvil calentado b) que lo funde y extruye depositándolo, capa tras capa, en la forma deseada c) . Una plataforma móvil e) desciende después de depositar cada capa. Para este tipo de tecnología de impresión 3D, se necesitan estructuras de soporte verticales adicionales d) para sostener las piezas que sobresalen
Ejemplo de impresora 3D.
"> File:Hyperboloid Print.ogvReproducir medios
Vídeo secuencial de un objeto hiperboloide (diseñado por George W. Hart ) hecho de PLA utilizando una impresora 3D RepRap "Prusa Mendel" para la deposición de polímero fundido.
"> Reproducir medios
Un video de lapso de tiempo de un modelo de robot (logotipo de la revista Make ) que se imprime con FFF en una impresora RepRapPro Fisher.

FFF comienza con un proceso de software que procesa un archivo STL (formato de archivo STereoLithography) , cortando matemáticamente y orientando el modelo para el proceso de construcción. 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 .

Proceso: 1 - extrusora de impresora 3D, 2 - material depositado (pieza modelada), 3 - mesa móvil controlada

A medida que la boquilla se mueve sobre la mesa en una geometría prescrita, deposita un cordón delgado de plástico extruido, llamado "camino", que se solidifica rápidamente al entrar en contacto con el sustrato y / o caminos depositados anteriormente. [22] Las capas sólidas se generan siguiendo un movimiento de rasterización donde las carreteras se depositan una al lado de la otra dentro de un límite de dominio envolvente.

Los motores paso a paso o servomotores se emplean típicamente para mover el cabezal de extrusión. El mecanismo utilizado suele ser un diseño rectilíneo XYZ, aunque se han empleado otros diseños mecánicos como el deltabot .

Una vez que se completa una capa, la plataforma se baja en la dirección z para comenzar la siguiente capa. Este proceso continúa hasta que se completa la fabricación del objeto.

Para una unión exitosa de las carreteras en el proceso, es necesario el control del ambiente térmico. Por lo tanto, el sistema se mantiene dentro de una cámara, a una temperatura justo por debajo del punto de fusión del material que se deposita.

Aunque como tecnología de impresión FFF es muy flexible y es capaz de lidiar con pequeños voladizos por el soporte de capas inferiores, FFF generalmente tiene algunas restricciones en la pendiente del voladizo y no puede producir estalactitas sin soporte .

Hay una gran variedad de materiales disponibles, como acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), ácido poliláctico (PLA), policarbonato (PC), poliamida (PA), poliestireno (PS), lignina , caucho , entre muchos otros, con diferentes compensaciones entre resistencia. y propiedades de 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 y piezas de impresión 3D a partir del material de filamento utilizando tecnología FFF. [24]

Durante la FFF, el polímero fundido caliente se expone al aire. Operar el proceso FFF dentro de una atmósfera de gas inerte como nitrógeno o argón puede aumentar significativamente la adhesión de la capa y conduce a propiedades mecánicas mejoradas de los objetos impresos en 3D. [25] Un gas inerte se utiliza habitualmente para prevenir la oxidación durante la sinterización selectiva por láser .

Física del proceso

Impresora 3D Extrusora Fuerza impulsora. Donde D_f es el diámetro del filamento y L_f es la longitud del filamento

Durante la extrusión, el filamento termoplástico se introduce mediante la presión mecánica de los rodillos en el licuador, donde se funde y luego se extruye. La geometría del flujo de la extrusora, el método de calentamiento y el comportamiento del flujo de la masa fundida de un fluido no newtoniano son de consideración principal en la pieza. Los rodillos son el único mecanismo de accionamiento en el sistema de suministro de material, por lo tanto, el filamento se encuentra bajo tensión de tracción corriente arriba del rodillo y bajo compresión en el lado corriente abajo actuando como un émbolo. Por lo tanto, la tensión de compresión es la fuerza impulsora detrás del proceso de extrusión.

La fuerza requerida para extruir la masa fundida debe ser suficiente para superar la caída de presión a través del sistema, que depende estrictamente de las propiedades viscosas del material fundido y la geometría del flujo del licuador y la boquilla. El material fundido se somete a 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 usando la ley de potencia para fluidos newtonianos generalizados.

La temperatura se regula mediante la entrada de calor de los calentadores eléctricos de bobina. El sistema ajusta continuamente la potencia suministrada a las bobinas de acuerdo con la diferencia de temperatura entre el valor deseado y el valor detectado por el termopar, formando un circuito de retroalimentación negativa . Esto es similar a la calefacción ambiental de una habitación.

Aplicaciones comerciales

FFF y las otras tecnologías de fabricación aditiva mediante técnicas de extrusión de material (EAM) se utilizan 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] EAM también se utiliza en la creación de prototipos de andamios para aplicaciones de ingeniería de tejidos médicos. [27]

Aplicaciones gratuitas

RepRap versión 2.0 (Mendel)
Fab @ Home Model 2 (2009)
"> Reproducir medios
Impresión en curso en una impresora Ultimaker 3D durante la fiesta de Mozilla Maker, Bangalore
Airwolf 3D AW3D v.4 (Prusa)

Hay varios proyectos en la comunidad de código abierto destinados a procesar residuos plásticos postconsumo en filamentos. Se trata de máquinas que se utilizan para triturar y extruir el material plástico en filamentos, como los robots de reciclaje .

Varios proyectos y empresas están haciendo esfuerzos para desarrollar impresoras 3D asequibles para uso doméstico. Gran parte de este trabajo ha sido impulsado y dirigido a comunidades de aficionados al bricolaje / usuarios tempranos , con vínculos adicionales con las comunidades académicas y de piratas informáticos . [28]

RepRap es uno de los proyectos de mayor duración en la categoría de escritorio. El proyecto RepRap tiene como objetivo producir una impresora 3D de hardware de código abierto y libre (FOSH), cuyas especificaciones completas se publican bajo la Licencia Pública General GNU , y que es capaz de replicarse imprimiendo muchas de sus propias piezas (plásticas) para crear más máquinas. [2] [29] Ya se ha demostrado que las RepRaps pueden imprimir placas de circuitos [30] y piezas metálicas. [31] [32] Fab @ Home es el otro proyecto de hardware de código abierto para impresoras 3D de bricolaje .

Debido a los objetivos de 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 de los productos terminados, varían mucho de un proyecto a otro. Este rápido desarrollo de las 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 los recursos disponibles para las comunidades locales. [33] [34]

Desarrollo

La personalización de productos impulsada por el cliente y la demanda de ahorro de costos y tiempo ha aumentado el interés en la agilidad del proceso de fabricación. Esto ha llevado a mejoras en las tecnologías de creación rápida de prototipos. [35] El desarrollo de las extrusoras avanza rápidamente debido al movimiento de la impresora 3D de código abierto causado por productos como RepRap. E3D y BondTech son los fabricantes de extrusoras más conocidos actualmente en el mercado. Se observan mejoras constantes en forma de aumento de la 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 posibilidad de calibrar realmente el extrusor [36] de acuerdo con la configuración del hardware ha recorrido un largo camino.

Costo de la impresora 3D

El costo de las impresoras 3D ha disminuido drásticamente desde aproximadamente 2010, y las máquinas que solían costar US $ 20,000 ahora cuestan menos de US $ 1,000 . [37] 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 GB £ 99 / US $ 100 . [38]

La fuente abierta Fab @ Home proyecto [39] ha desarrollado impresoras para uso general con cualquier cosa que puede ser extruido a través de una boquilla, desde el chocolate hasta sellador de silicona y reactivos químicos. Las impresoras que siguen los diseños del proyecto han estado disponibles de los proveedores en kits o en forma preensamblada desde 2012 a precios en el rango de US $ 2.000 .

Las impresoras 3D LulzBot fabricadas por Aleph Objects son otro ejemplo de una aplicación de código abierto de la tecnología de modelado de deposición fundida. El modelo insignia 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 en el mercado que ha recibido la certificación "Respeta su libertad" de la Free Software Foundation . [40]

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 hacer que una impresora funcione, a menudo incluyen archivos electrónicos para impresión de prueba, así como una pequeña cantidad de filamento PLA.

Materiales

El plástico es el material más común para la impresión 3D a través de FFF y otras variantes de EAM. Se pueden usar varios polímeros, incluidos acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), policarbonato (PC), ácido poliláctico (PLA), polietileno de alta densidad (HDPE), PC / ABS, tereftalato de polietileno (PETG), polifenilsulfona (PPSU) y alto impacto poliestireno (HIPS). En general, el polímero está en forma de filamento fabricado a partir de resinas vírgenes. Además, en el proceso se utilizan fluoropolímeros como los tubos de PTFE debido a la capacidad del material para soportar altas temperaturas. Esta capacidad es especialmente útil para transferir filamentos.

Las muchas variantes diferentes de EAM, es decir, de fabricación aditiva basada en extrusión de materiales, permiten trabajar con muchos tipos de materiales adicionales, que se resumen en la tabla siguiente. Se pueden extruir e imprimir en 3D varias clases de materiales:

  • Polímeros termoplásticos, es la aplicación más típica de FDM;
  • Materiales compuestos con matriz polimérica y fibras duras cortas o largas;
  • Lechadas y arcillas cerámicas, a menudo utilizadas en combinación con la técnica de robocasting ;
  • Mezclas verdes de polvos cerámicos o metálicos y aglutinantes poliméricos, utilizados en EAM de metales y cerámicas ;
  • Pastas alimenticias;
  • Pastas biológicas, utilizadas en bioimpresión.
Materiales que se pueden imprimir en 3D con EAM ( tecnologías de fabricación aditiva por extrusión de material )
Clase de material ejemplos Requisitos de posprocesamiento Aplicaciones Típicas
Polímeros termoplásticos PLA, ABS, ABSi, HDPE, PPSF, PC, PETG, Ultem 9085, PTFE, PEEK, plásticos recicladosremoción de soporte Estos materiales se utilizan por sus propiedades de resistencia al calor. Ultem 9085 también exhibe retardo del fuego, lo que lo hace adecuado para aplicaciones aeroespaciales y de aviación.
Compuestos de matriz polimérica PRFV , PRFC [41]soporte remoción, curado Aplicaciones estructurales
Lechadas y arcillas cerámicas Alúmina , circonita , caolín [42]remoción de soportes, secado en horno y sinterización Aislamiento, objetos de consumo, aplicaciones dentales
Mezcla de cerámica verde / aglutinante Zirconia, fosfato de calcio [43]remoción de soporte, desaglomerado, sinterización cerámicas estructurales, componentes piezoeléctricos
Mezcla de metal verde / aglutinante Acero inoxidable , titanio , Inconel [20]remoción de soporte, desaglomerado, sinterización Utillaje, fijaciones, piezas mecánicas
Mezcla verde de metal / cerámica / aglutinante Acero inoxidable , hierro , fosfato tricálcico, circonio estabilizado con itrio [44]remoción de soporte, desaglomerado, sinterización Piezas mecánicas, implantes
Pastas alimenticias chocolate, azúcar [45]Cocinando
Materiales biologicos bioink [46] órganos y andamios bioimpresos
Compuestos de polímeros conductores Compuestos con negro de carbón, grafeno, nano tubos de carbón o nanopartículas de cobre [47]Recocido para una conductividad más baja Sensores


Componentes impresos y sinterizados FFF de acero inoxidable (316L)
Sección metalográfica de la capa de filamentos impresos y sinterizados (compuesto de hierro-fosfato tricálcico)

Impresora tipo RepRap

La mayoría de las impresoras de filamentos fundidos 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 este lleva el cabezal de impresión móvil. El diseño del pórtico está optimizado para el movimiento principalmente en las direcciones X e Y horizontales, 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 tornillos de avance o transmisiones por correa dentada . Es común, debido a las diferencias en la velocidad de movimiento, usar correas dentadas para los accionamientos X, Y y un tornillo de avance para Z. Algunas máquinas también tienen movimiento del eje X en el pórtico, pero mueven la cama (y el trabajo de impresión) para Y Como, a diferencia de las cortadoras 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. Por lo general, estos son bloques de conectores impresos con una variedad de orificios en ángulo, unidos por una varilla roscada de acero barata . Esto hace que una construcción sea barata y fácil de ensamblar, permita fácilmente uniones de armazón no perpendiculares, pero requiere acceso a una impresora 3D. La noción de impresoras 3D ' bootstrapping ' como esta ha sido una especie de 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 ahora usan marcos semicerrados en forma de caja de madera contrachapada cortada con láser, plástico, chapa de acero prensada y, más recientemente, extrusiones de aluminio. Estos son baratos, rígidos y también se pueden usar como base para un volumen de impresión cerrado, lo que permite el control de temperatura dentro de él para controlar la deformación del trabajo de impresión.

En su lugar, un puñado de máquinas usa coordenadas polares, generalmente máquinas optimizadas para imprimir objetos con simetría circular. Estos tienen un movimiento de pórtico radial y un lecho giratorio. Aunque existen algunas ventajas mecánicas potenciales para este diseño para imprimir cilindros huecos, su diferente geometría y el enfoque no convencional resultante para la planificación de la impresión aún les impide ser populares todavía. Aunque es una tarea fácil para la planificación del movimiento de un robot convertir de coordenadas cartesianas a polares, obtener cualquier ventaja de este diseño también requiere que los algoritmos de corte de impresión sean conscientes de la simetría rotacional desde el principio.

Montaje del extrusor al resto de la máquina

Las formas en que se montan las extrusoras en el resto de la máquina han evolucionado con el tiempo hasta convertirse en estándares de montaje informales. Tales estándares de factores permiten probar nuevos diseños de extrusoras en marcos de impresoras existentes y nuevos diseños de marcos de impresoras para usar extrusoras existentes. Estas normas informales incluyen: [14]

  • Estándar del eje X vertical
  • Soporte para extrusora de ajuste rápido
  • OpenX montaje

Impresoras robot Delta

Impresión con una gran impresora robot delta

Se adopta un enfoque diferente con las impresoras de patrones 'Rostock', basadas en un mecanismo de robot delta . [48] Tienen un gran volumen de impresión abierto con un robot delta de tres brazos montado en la parte superior. Este diseño de robot se caracteriza por su baja inercia y su capacidad de movimiento rápido en un gran volumen. Sin embargo, la estabilidad y la ausencia de vibraciones al mover un cabezal de impresión pesado en el extremo de los brazos delgados es un desafío técnico. Este diseño se ha favorecido principalmente como un medio de 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 al cabezal también cambia, la tensión creada en el filamento es otro desafío técnico a superar para evitar afectar la calidad de impresión.

  • Impresión 3d
  • Extrusora de impresora 3D
  • Rodamiento de bolas
  • Extrusora Bowden
  • Sinterización directa por láser de metales
  • Laboratorio fabuloso
  • Fab @ casa
  • Código G
  • Hyrel 3D
  • Industrias MakerBot
  • Marlin (firmware)
  • Metacrilato
  • Extrusión de plásticos
  • Printrbot
  • Prusa i3
  • Rampas
  • Creación rápida de prototipos
  • Proyecto RepRap
  • Robo 3D
  • Sinterización por láser selectiva
  • Sindoh
  • Huso
  • Motor paso a paso
  • Estereolitografía
  • Termistor
  • Par termoeléctrico
  • Ultimaker
  • Constructor universal Von Neumann

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