Conceptos básicos de impresión 3D

Una impresora 3D es una herramienta de fabricación utilizada para crear artefactos tridimensionales que se han diseñado en una computadora. Las impresoras 3D tienen una amplia gama de formas, tamaños y tipos, pero en esencia todas son máquinas de fabricación aditiva controladas por computadora. Al igual que las impresoras de papel colocan tinta en una capa para crear una imagen, las impresoras 3D colocan o curan el material capa por capa para crear un objeto tridimensional.

Las impresoras 3D tienen una amplia gama de aplicaciones; los diseñadores los usan para probar ideas de productos, las compañías fabricantes los usan para hacer piezas complicadas para ensamblajes, y los fabricantes los usan para la fabricación de bricolaje para todo lo que puedan imaginar. Aunque los diferentes tipos y usos de las impresoras 3D varían ampliamente, todas las impresoras 3D pueden describirse simplemente como herramientas; permiten que las personas hagan cosas que antes no podían hacer.

De esta guía aprenderá qué son las impresoras 3D, cómo funcionan, cuándo deben usarse y cómo diseñarlas y usarlas. También proporcionaré algunos recursos para comprar impresoras y servicios de impresión 3D. Una vez que lo haya superado, ¡con suerte podrá imprimir algunas cosas usted mismo!

Paso 1: ¿Qué es la impresión 3D?

Las impresoras 3D como máquinas se dividen en un par de categorías diferentes. Están controlados por una computadora, convirtiéndolos en máquinas CNC o controladas numéricamente por computadora. Debido a la forma en que funcionan las impresoras 3D, se les conoce como máquinas de fabricación aditiva. En lugar de que la máquina corte o taladre piezas de un bloque de materia prima para formar una determinada forma (fabricación sustractiva), las impresoras 3D agregan material poco a poco para formar su trabajo, lo que las convierte en máquinas de fabricación aditiva. Para resumir todo, esto significa que las impresoras 3D son máquinas controladas por computadoras que agregan material para crear una forma que usted le dice que cree.

En comparación con otras máquinas industriales CNC, las impresoras 3D son ineficientes porque toman la escala de horas para fabricar piezas, mientras que otras máquinas, como las máquinas de moldeo por inyección, pueden producir piezas más fuertes y duraderas en minutos. Las diferentes impresoras 3D tienen diferentes inconvenientes y beneficios, pero la mayoría de las impresoras 3D producen piezas pequeñas y relativamente débiles debido a la forma en que se crean. Entonces, ¿por qué usar la impresión 3D?

Las impresoras 3D pueden ser muy económicas, por lo que permiten a cualquiera que tenga una hacer cualquier cosa con mucha facilidad. Permiten que los diseñadores pasen directamente de las ideas a la realidad, permiten una iteración rápida de los diseños y pueden crear geometrías complicadas sin mucha dificultad. En resumen, con solo presionar un botón, puedes crear lo que imagines.

Paso 2: creación rápida de prototipos

A diferencia de la mayoría de las otras máquinas CNC, las impresoras 3D tienen costos o procedimientos de configuración asociados mínimos. Las impresoras 3D se pueden utilizar para producir piezas personalizadas de forma relativamente rápida y económica, lo que hace que las impresoras 3D sean una de las mejores herramientas de creación rápida de prototipos. Las máquinas de fabricación a mayor escala pueden requerir moldes o accesorios mecanizados con precisión para cada parte nueva, lo que significa que tienen más costos de instalación y pasos necesarios para producir contenido; están configurados para hacer cientos o miles de partes específicas una y otra vez. Con una impresora 3D, una pieza puede diseñarse y fabricarse de manera económica, y luego su diseño puede modificarse, imprimirse y probarse varias veces en rápida sucesión antes de que la pieza alcance la producción a gran escala.

Paso 3: geometrías complejas

La impresión 3D es un proceso de fabricación sin intervención; con solo presionar un botón, se hará lo que diseñe. El fabricante debe operar otros métodos de fabricación, como la taladradora, el torno o la fresadora. La pieza de trabajo debe ser alineada, medida y mecanizada por el usuario, lo que introduce un error humano en la fabricación de la pieza. Las impresoras 3D, debido a la forma en que crean partes, pueden hacer muchas partes con geometrías complejas, incluidas formas naturales como extremidades protésicas o modelos animales, o formas más complicadas como poliedros o réplicas de edificios a escala. Las impresoras 3D abren muchas oportunidades a los fabricantes solo porque permiten a las personas hacer cosas que antes no podían.

Paso 4: contenido personalizado

Como se explicó anteriormente, los diseños 3D se pueden cambiar fácilmente en la computadora y luego volver a imprimirlos. Esto significa que los archivos pueden personalizarse para ciertas personas o cosas, e imprimirse fácilmente, sin cambios en la configuración de la máquina. Ser capaz de crear contenido personalizado es valioso tanto para la fabricación a pequeña escala como para los fabricantes, ya que les permite crear diseños para personas específicas, o incluso producir diseños que otros les dan. Joyas personalizadas, prótesis personalizadas e incluso escaneos 3D de personas pueden imprimirse y modificarse para adaptarse al destinatario final.

Paso 5: ¿Cómo funciona la impresión 3D?

Para comprender más específicamente cómo funcionan las impresoras 3D y cómo diseñar para ellas, necesitará comprender los diferentes tipos de impresoras 3D en el mercado. Aunque los materiales y métodos con los que se crean las piezas varían ampliamente, todas las impresoras 3D construyen piezas agregando material capa por capa, fusionando cada capa para formar un objeto sólido.

Hay un par de tipos diferentes de procesos de impresión 3D: algunos son más adecuados para la fabricación a gran escala, otros permiten múltiples materiales o colores durante las impresiones, y algunos tipos de impresoras pueden incluso construirse con bastante facilidad debido a la forma en que funcionan. He incluido los tipos más comunes de impresoras 3D en esta guía, hay algunos otros tipos de impresoras, pero en su mayor parte provienen de las siguientes cuatro.

Paso 6: Modelado de deposición fusionada (FDM)

El modelado de deposición fundida es probablemente uno de los tipos más comunes de impresión 3D, y es el más fácil de entender. En este tipo de impresión 3D, el material, generalmente plástico ABS o PLA, es fundido por el cabezal de la impresora y extruido sobre la cama de la impresora, de forma similar a cómo se deposita la tinta en una página en una impresora de papel. El cabezal del extrusor de la impresora coloca el material capa por capa para construir un modelo 3D, y cada capa se fusiona con la anterior a medida que se enfría.

Las impresoras FDM son impresoras de escritorio muy comunes porque son económicas y fáciles de construir. Su precisión depende de la calidad de los motores que controlan la posición del cabezal del extrusor en relación con la plataforma de construcción, y la finura del cabezal del extrusor a medida que extruye el material. Debido a que el material se construye capa por capa, las partes impresas tienden a ser débiles a lo largo de sus secciones transversales horizontales. Además, cualquier sección sobresaliente de piezas impresas en 3D en impresoras FDM requiere material de soporte para sostener el voladizo. Las impresoras FDM con múltiples cabezales de extrusora pueden imprimir en un material de soporte soluble que se disuelve cuando se sumerge en ciertos productos químicos, mientras que aquellas con extrusoras individuales imprimen en un material menos denso que puede romperse una vez que se completa la impresión. Múltiples cabezales de extrusión también permiten a las impresoras FDM imprimir en múltiples colores o materiales, ampliando sus capacidades.

Paso 7: estereolitografía (SLA)

La estereolitografía es el método de impresión 3D más antiguo, en el que se utiliza un láser para solidificar la resina líquida con luz ultravioleta. Mientras las impresoras FDM extraen las capas de filamento para formar el modelo 3D, el rayo láser en una impresora SLA extrae una porción de la parte para curar la resina líquida capa por capa, generando la parte 3D. Mientras que la mayoría de las otras impresoras 3D imprimen desde la parte inferior de la pieza y funcionan hacia arriba, las impresoras SLA pueden imprimir desde arriba hacia abajo. El baño de láser y resina se encuentra en la base de la impresora, y la pieza se fija a la plataforma de construcción inferior y se dibuja a medida que se imprime.

Las impresoras SLA pueden ser muy rápidas y precisas debido a su naturaleza. Sin embargo, la resina en sí es costosa y, debido a que es fotocurable, debe almacenarse en contenedores especializados. La mayoría de las resinas, cuando se curan, generalmente son muy frágiles y no pueden resistir mucha fuerza, por lo que la impresión SLA suele ser útil cuando se trata de prototipos, pero no de producción. Al igual que las impresoras FDM, las impresoras SLA requieren estructuras de soporte para las piezas impresas, pero sus materiales son limitados porque solo pueden imprimir en resina curada y no pueden imprimir varios tipos de materiales a la vez. Sin embargo, la precisión de las impresoras SLA les permite imprimir estructuras muy complejas y delicadas.

Paso 8: Sinterización selectiva por láser (SLS)

La sinterización selectiva por láser es muy similar a la estereolitografía en que se usa un láser para solidificar el material y formar una forma sólida. La mayor diferencia entre las dos tecnologías es que, si bien la impresión SLA utiliza resina líquida, la sinterización láser cura el material en polvo. Se colocan capas de polvo sobre una cama de impresión, y las partículas de cada capa se curan con un láser. La sinterización selectiva por láser es ventajosa porque puede soportar una amplia gama de materiales, incluidos plásticos, vidrio y algunos metales.

No se necesita material de soporte para imprimir piezas en una máquina SLS porque las piezas están sumergidas en energía, por lo que pueden usarse para crear piezas más complicadas y precisas que la mayoría de las otras impresoras. Sin embargo, generalmente solo se encuentran en la industria, ya que requieren láseres de alta potencia y pueden ser muy caros.

Paso 9: Fabricación de objetos laminados (LOM)

En el proceso de fabricación de objetos laminados, se utiliza un láser o un cuchillo para cortar rebanadas del modelo 3D de hojas de material. Cada hoja de material se tira sobre la hoja anterior y se corta con la herramienta de corte, y luego se coloca pegamento para que la siguiente hoja se adhiera a ella. De este modo, la impresora genera pilas de material de hoja cortadas y fusionadas. Debido a que las impresoras LOM consisten en pilas de papel, el papel puede imprimirse (en 2D) antes de usarse en la máquina, lo que significa que estas impresoras pueden usarse para crear artefactos impresos en 3D en color.

Estas impresoras tienen costos de producción muy bajos porque las materias primas son solo resmas de papel o plástico. Tienen la ventaja de imprimir piezas flexibles y resistentes debido a las propiedades del material de las hojas. Si bien las piezas son fuertes, son solo pilas de papel, por lo que tienden a desgastarse fácilmente y las características de las piezas pequeñas se pueden abrir fácilmente. Las máquinas LOM son mejores para crear piezas grandes con mínimos detalles pequeños. Cada impresión requiere una gran cantidad de procesamiento posterior para eliminar la parte del resto del material. Estas impresoras generalmente generan una gran cantidad de desperdicio porque cada parte debe extraerse de pilas de papel y las geometrías de las partes creadas están restringidas debido a la forma en que se fabrican las partes.

Paso 10: Diseño 3D para impresión 3D

Las impresoras 3D permiten a los diseñadores pasar directamente de ideas conceptuales y diseños a modelos físicos. Para hacerlo, el objeto debe diseñarse en una computadora utilizando algún tipo de software de diseño 3D. Una vez que se diseña una parte, se puede importar a un software específico para la impresora 3D en uso, que dividirá la parte y enviará a la impresora una lista de rutas e instrucciones utilizadas para crear la parte.

Existen muchos programas CAD (diseño asistido por computadora) diferentes para diseñar modelos 3D para una variedad de propósitos. Los programas de diseño como Tinkercad o Autodesk 123D son gratuitos y excelentes para principiantes interesados ​​en el diseño 3D y la impresión 3D, mientras que programas como SolidWorks y Autodesk Inventor son utilizados por ingenieros profesionales para diseñar piezas y ensamblajes para la producción. Cubriré algunas de las consideraciones necesarias al diseñar una pieza para imprimir en 3D.

Paso 11: Orientación de la parte

Al diseñar para la impresión 3D, hay algunas pautas de diseño y restricciones que se deben seguir, como las hay para cualquier proceso de fabricación. Una de las consideraciones más importantes durante el proceso de diseño implica diseñar con una cara de construcción en mente. Todas las impresoras comienzan a construir la pieza desde la cama de impresión, por lo que es importante recordar desde qué cara se imprime la pieza. Si bien la determinación de la orientación óptima de la pieza es ligeramente diferente en todas las impresoras, el diseño para optimizar esa orientación minimizará el uso de material, el tiempo de impresión y el riesgo de falla de impresión.

Reducción del tiempo de impresión y material de soporte

Al orientar bien su pieza, puede reducir la cantidad de material de soporte necesario, lo que puede minimizar el material y el tiempo de impresión. El material de soporte puede ser difícil de quitar y crea un acabado superficial rugoso, que no es el mejor si desea que su pieza se vea como un producto terminado. Para eliminar los efectos del material de soporte, las piezas deben pulirse y lijarse, lo que puede afectar las tolerancias de su parte si está interactuando con otra cosa.

Fuerza parcial

En la mayoría de las impresoras de escritorio, las partes tienden a romperse a lo largo de las secciones transversales de la parte que son paralelas a la placa de construcción. El material se deposita o cura capa por capa, y las capas no se fusionan tan bien como en las impresoras de extremo superior, creando costuras a lo largo de las secciones transversales de la pieza. Esto significa que las piezas pueden cortarse fácilmente a lo largo de esos planos si se aplica fuerza. Si sabe cómo y dónde se aplicará la fuerza a su parte, oriente su parte de modo que la dirección de la fuerza no esté en esos planos transversales.

Construir adhesión

En la mayoría de las impresoras, principalmente máquinas FDM, las piezas impresas en 3D se adhieren a la placa de construcción mientras se imprimen, y un área de contacto muy pequeña puede hacer que la pieza se caiga de la placa de construcción. El lado de su parte tiene la mayor superficie en el mismo plano, generalmente es el lado en el que desea imprimir, aunque esto puede cambiar dependiendo de las características de una impresora determinada.

Paso 12: voladizos y arcos

Como mencioné anteriormente, la mayoría de las impresoras requieren estructuras de soporte impresas para sostener las características sobresalientes de sus partes. Debido a que el material se coloca capa por capa, la mayoría de las impresoras (principalmente impresoras FDM y SLA) pueden manejar hasta aproximadamente 45 grados de voladizo desde la horizontal sin necesidad de soportes, y también pueden crear características como agujeros verticales o arcos redondos con una inclinación mínima. Para evitar el material de soporte, observe dónde están los voladizos planos o de ángulo bajo y reoriente la pieza o asegúrese de que sean compatibles con otras características de la pieza, como voladizos o arcos angulados.

Paso 13: Interfaz con otras partes

La mayoría de las impresoras 3D implican el calentamiento y la fusión de plástico o resina, por lo que las piezas tienden a encogerse ligeramente cuando se enfrían. Esto significa que imprimir partes como engranajes, controles deslizantes o soportes que interactuarán con otros objetos puede ser complicado.

Tolerancias

Si está diseñando una parte que encajará en o alrededor de otra cosa, asegúrese de dejar un poco de tolerancia de separación entre las dos partes. Esta tolerancia dependerá de la impresora que esté utilizando, por lo que es posible que desee imprimir algunas piezas de prueba para probar el ajuste.

Agujeros

En muchas impresoras 3D, los agujeros nunca serán tan precisos como lo serían si los taladra o los saca. Esto se debe a que la reducción de las piezas altera ligeramente el tamaño de la pieza, y también porque generalmente se utiliza una impresora con base cartesiana para hacer un agujero circular. Para asegurar agujeros precisos en sus piezas, diseñe el agujero para que sea ligeramente más pequeño (unas pocas milésimas de pulgada) y luego use una fresa para perforar el agujero al tamaño correcto.

Hilos

Al diseñar piezas en las que se atornillarán tornillos o tuercas, no imprima las roscas, ya que las tolerancias pueden no ser tan precisas como las roscas de los componentes. Para fijar un tornillo a una pieza impresa en 3D, haga que el orificio sea un poco más pequeño que el diámetro del hilo del componente y toque el orificio una vez finalizada la impresión.

Corrosión parcial

La mayoría de las impresoras 3D usan plástico que tiene puntos de fusión relativamente bajos porque el plástico debe calentarse de manera factible y seguro cuando está caliente. Esta es la razón por la cual el ABS y el PLA se usan comúnmente para máquinas FDM. Sin embargo, un punto de fusión bajo significa que se corroen muy fácilmente con la fricción aplicada. Las impresoras SLA generalmente producen piezas muy frágiles debido al tipo de resina que requieren. Las piezas impresas en 3D generalmente no son adecuadas para situaciones de alta velocidad o alta fuerza porque las características tienden a desaparecer después de un tiempo o las piezas se rompen. Las piezas deslizantes, giratorias o móviles funcionarán cuando se imprima en 3D, pero se desgastarán.

Paso 14: Tecnologías relacionadas

Máquinas CNC

Las impresoras 3D se incluyen en una categoría de máquinas llamadas "Máquinas de control numérico por computadora" (CNC). Las máquinas CNC son máquinas cuyas operaciones son controladas por una computadora. El controlador de la máquina le da a la máquina un archivo CAD, y la máquina realiza una serie de operaciones para crear ese objeto. Las máquinas CNC generalmente son mucho más precisas y confiables que las máquinas operadas por humanos. Las impresoras 3D son máquinas CNC de fabricación aditiva porque están controladas por computadora y agregan material para crear una pieza. Otras máquinas, como los molinos y tornos, son máquinas de fabricación sustractiva porque eliminan el material para hacer piezas, de la misma manera que cortaría un trozo de papel para hacer una forma.

Cortadores Láser

Las cortadoras láser, como las impresoras 3D, son otro tipo de tecnología CNC de creación rápida de prototipos. Los cortadores láser son herramientas muy rápidas y eficientes que utilizan láseres para cortar o grabar material plano en base a dibujos CAD bidimensionales. Se pueden usar para hacer prototipos funcionales de madera, plástico y, a veces, metal, entre otros materiales, y también se pueden usar para hacer obras de arte debido a sus capacidades de rasterizado.

Escáneres 3D

Un escáner 3D es otra pieza de tecnología que generalmente va de la mano con la impresión 3D. Los escáneres 3D generan modelos CAD en 3D de objetos del mundo real. Para escanear objetos, los escáneres 3D asignan puntos en el objeto a distancias del escáner y, por lo tanto, pueden generar una representación 3D del objeto, que puede imprimirse en 3D o usarse para más trabajo de diseño.

Paso 15: recursos

Impresoras de escritorio

• MakerBot: una gran impresora 3D de escritorio FDM
• FormLabs: impresora SLA de escritorio de alta resolución
• RepRap: un kit de impresora 3D FDM de construcción propia
• Ember: una impresora SLA eficiente y de código abierto
• Lista de impresoras 3D comunes y precios

Impresoras industriales

• Stratasys: amplia gama de diferentes tamaños y tipos de impresoras 3D industriales
  
• Sistemas 3D: una de las primeras compañías de impresión 3D, todavía produce impresoras industriales de alta calidad.
  
• Solidscape: crea impresoras 3D principalmente para aplicaciones médicas y de fabricación de moldes
  
• Mcor : cree impresoras LOM a todo color

Servicios de impresión 3D

• Shapeways : un servicio económico de impresión y diseño en 3D
• Ponoko : un servicio completo de corte por láser e impresión 3D en el que puedes hacer y vender tus diseños
• i.materialize : un servicio de impresión 3D que ofrece una amplia gama de materiales y consejos de diseño.
• Sculpteo : otro gran servicio de impresión 3D con una amplia gama de materiales y recursos

Sitios de modelos 3D

• Thingiverse: un gran sitio para compartir y encontrar diseños imprimibles en 3D
• Pinshape : otro sitio para compartir contenido imprimible en 3D
• MyMiniFactory: un sitio donde puedes comprar y vender diseños imprimibles en 3D
• Shapeways: compre piezas que otros han hecho a través de Shapeways

Software de diseño 3D gratuito

• Autodesk 123D : un grupo de aplicaciones y programas gratuitos diseñados para facilitar el diseño 3D
• Tinkercad: un programa CAD muy simple y gratuito diseñado para crear e imprimir contenido 3D.
• SketchUp : otro programa CAD simple y fácil de aprender
• OpenSCAD : una herramienta de diseño 3D para programadores utilizada para hacer diseños fácilmente modificables
• Blender : una herramienta de diseño en 3D utilizada para diseñar formas biológicas y naturales

Noticias y recursos de impresión 3D:

• 3Ders.org: un sitio de noticias y recursos de impresión 3D
  
• 3Dprinter.net: Nuevas noticias y desarrollos de impresión 3D
• 3dPrintHQ.com : un extenso glosario de términos de impresión 3D
• SubReddit de impresión 3D : excelente lugar para preguntas de impresión 3D, noticias y contenido