diseño3D-impresión3D

Optimización del diseño para imprimir en 3D

Para que nuestra pieza en 3D sea imprimible, es importante optimizar nuestro diseño. En este post vamos a explicar por qué y cuáles son las consideraciones previas que debemos tener en cuenta para optimizar nuestros diseños antes de proceder a su impresión con impresoras de modelado por deposición fundida (FDM).

Recordemos que el método de impresión por deposición fundida es la técnica aditiva de impresión 3D más utilizada, cuyo funcionamiento se basa en una bobina de material plástico que se va fundiendo y expulsando por una boquilla en finos hilos que se van enfriando y solidificando sobre una base plana, extruyendo la pieza capa a capa de acuerdo a la geometría requerida.

3D

¿Por qué es necesario optimizar el diseño?

Puesto que la pieza se va formando capa a capa sobre una base plana, podemos encontrarnos con situaciones en las que nuestra impresora no pueda encontrar soporte para colocar el material fundido, por ejemplo en los siguientes casos:

Diseño 1

En este caso, en los extremos de la parte inferior de la pieza, la boquilla no encontraría soporte donde depositar el material.

Diseño 2

Si vamos a un caso más extremo, por ejemplo una letra T, el problema será aún mayor al intentar imprimir el pilar horizontal de la letra, ya que en esa parte la boquilla no encontrará soporte sobre el que depositar el material, se depositaría literalmente al aire.

Si imprimiéramos la pieza, encontraríamos este resultado:

Impresión diseño 2

¿Cómo se pueden evitar las partes de impresión “al aire”?

Existen tres formas de evitar este inconveniente:

  • La primera es rotar la pieza en el software de laminado hasta encontrar la posición en la que se minimicen al máximo las zonas de la pieza expuestas a la falta de soporte. En el ejemplo de la T, solucionamos el problema apoyando la pieza completamente en la base de impresión.

Optimización 1

  • La segunda es utilizar material de soporte para la impresión. Este material de soporte es el mismo que el del resto de la pieza, se extruye junto al resto de capas, pero con una densidad menor para que pueda ser eliminado de forma sencilla. Generalmente, el soporte se genera con el software de laminado, pero lo podemos incluir como parte del diseño.

Optimización 2

  • La tercera forma, si ninguna de las anteriores nos proporciona el resultado esperado, sería rediseñar la pieza hasta lograr una forma óptima de imprimirla.

La combinación de estas técnicas nos va a permitir mejorar la calidad final de la pieza, ahorrar material (más soportes implica mayor gasto del mismo) y reducir tiempos de impresión (más soportes también suponen más tiempo de impresión).

Otras consideraciones a la hora de imprimir

A continuación se explican otros casos que debemos de tener en cuenta a la hora de diseñar piezas:

  • Puentes

    Piezas en las que extrusor expulsa material en una zona en la que no hay soporte, como por ejemplo, una letra H. Al pasar de un punto en el que encuentra soporte, a una parte sin él, y volver a una zona con soporte daría como resultado que la impresión no será una capa completamente horizontal, sino una capa en la que algunos hilos de material quedarán como si sujetamos un cable desde sus extremos y éste se curva ligeramente.

    Se puede minimizar aumentando la velocidad del extrusor o aumentando el flujo de aire del ventilador para que enfríe más rápido y la curva de la parte colgante sea menor.

H

  • Salientes

    Son voladizos o inclinaciones, que se imprimen peor cuanto mayor es el ángulo respecto a la vertical, en especial a partir de los 45º.

    Como soluciones, se puede configurar en el laminado de la pieza una menor altura de capa, obteniendo así más soporte entre las capas inferior y superior.

Inclinaciones

Limitaciones a tener en cuenta

Una vez tengamos claro el funcionamiento de la impresora FDM y hayamos visto cómo optimizar nuestros diseños para que éstos sean imprimibles, tendremos que dar un paso más y realizar un análisis crítico de nuestra pieza para llevarla a la realidad en 3D.

Este análisis tiene que ver, más que con la tecnología usada para el FDM, con la precisión y estado de mantenimiento de nuestro modelo de impresora.

Impresora 3D

Tolerancias en orificios

Cuando diseñamos en 3D, podemos añadir formas que sirvan para introducir partes de unas piezas en otras.

Caja cúbica

Imaginemos que tenemos una caja cúbica y queremos crear un cubo que encaje en su interior. Si el hueco de la caja tiene un valor de 5 cm de largo, 5 cm de ancho y 5 cm de profundidad, podemos crear un cubo de 5 cm de arista que teóricamente encajaría a la perfección en el interior de nuestro hueco, pero esto no es así.

Recordemos que la impresión FDM se basa en la extrusión de material fundido, capa por capa. Por este motivo, las dimensiones con la que se imprime un objeto no son exactas a las del diseño original, si no que dependerá del diámetro de la boquilla de extrusión, de la distancia entre capas, del tiempo que tarde en enfriarse el material, etc.

Se necesita un conocimiento previo de nuestra impresora para saber qué tolerancia es la adecuada, es decir, qué diferencia de tamaño deben tener hueco y pieza a introducir. En el caso del cubo bastaría con reducir su tamaño un determinado valor y comprobar una vez impreso si encaja en nuestra caja.

Cilindros

Imaginemos ahora que queremos diseñar elementos circulares que se puedan introducir en otra pieza, por ejemplo, un cilindro. Una buena técnica para probar que radio de cilindro es el adecuado, es diseñar e imprimir una pieza como la de la imagen.

En ocasiones podemos necesitar una mayor fricción entre las piezas (por ejemplo si queremos colocar taladros para pasar tornillos), y otras lo que necesitaremos una mayor holgura. Lo importante es realizar los ajustes necesarios hasta lograr lo que necesitamos modificando nuestro diseño.

Para modelos como la Witbox 2 o la Hephestos 2 no es recomendable bajar esas diferencias entre las piezas que que vamos a utilizar para encajar una dentro de otra por debajo de los 0,25 mm.

Detalles pequeños

El segundo punto que tenemos que tener en cuenta en nuestros diseños a la hora de imprimir es el de la inclusión de detalles muy pequeños. Como pasa con las tolerancias en orificios, la inclusión y tamaño de éstos dependen en gran medida de la precisión y ajuste de nuestra impresora 3D.

El siguiente diseño está formado por una base de aproximadamente 4 cm sobre la que se sustentan nueve pequeñas pirámides de caras rectas. Durante su impresión, nos encontraremos con distintos problemas, sobre todo en la parte superior de las pirámides, debido a que el pequeño tamaño de la pieza y el rápido paso de una capa a otra, puede ocasionar que el extrusor deposite material sobre una capa que aún no haya solidificado.

Figura pirámides

Otro problema con el que nos podemos encontrar es debido al sistema de retracción del material del que está dotada la impresora. Si el intervalo entre el punto en el que expulsa material y el siguiente es muy pequeño, irá dejando finos hilos de plástico entre dichos puntos.

En la imagen adjunta se puede ver el resultado al imprimir la pieza.

Figura pirámides impresa

La solución a esto es complicada. En primer lugar, tendremos que tener bien calibrada y ajustada nuestra impresora, por lo que un buen mantenimiento de la misma es de vital importancia. En segundo lugar, podemos modificar con el software de laminado una velocidad de impresión más lenta y ampliar el flujo de ventilación para que enfríe más rápido. Por último, aconsejamos usar material de alta calidad.

Consejos

  • Todo diseño 3D es complejo y se pueden dar en una misma pieza la combinación de todos los casos expuestos. Esta guía sirve de punto de partida para diseñar de forma adecuada, así como obtener la mejor impresión posible, pero sólo la experiencia y la realización de pruebas con tu propia impresora te marcará el camino para obtener el resultado deseado.

  • Entra en algún repositorio de piezas en 3D y observa algunos diseños diferentes. Realiza un análisis visual de las piezas y busca posibles problemas a la hora de imprimirlo (salientes, detalles pequeños, uso de soporte de impresión)…