La impresión 3D es un método de fabricación conocido como manufactura digital aditiva.

Se habla de digital y aditiva, porque partimos de un modelo 3D digitalizado que se transformará en un objeto físico,en una impresora 3D, mediante la adición sucesiva de capas de material sin el uso de moldes. Las impresoras 3D llevarán adelante esta adición de diferentes maneras según su tecnología. 

La impresión 3D propone un nuevo paradigma de producción del cual estamos siendo protagonistas. En este nuevo paradigma se lleva adelante la digitalización de los objetos físicos, permitiendo que esos objetos viajen a través de internet, modificando muchas operaciones tradicionales de manufactura, almacenamiento, logística, entre otras.

Se trata de una manufactura orientada a la personalización con foco en el consumidor que permite la optimización, el aprovechamiento de los materiales y la fabricación de piezas únicas a demanda. En esta manufactura la complejidad de la pieza no aumenta el costo.

Nuevos paradigmas:

• Diseño: La complejidad no agrega costo
• Diseño: Se puede diseñar el interior de un objeto. En la mayoría de las tecnologías de manufactura esto resulta imposible.
• Logística: La producción puede estar atomizada o distribuida en distintos lugares, ya que el objeto digitalizado viaja a través de internet. 
• Producción on-demand o Non-stock: La pieza que se necesita es la que se imprime, esto permite manejarse sin necesidad de stocks.
• Los objetos producidos por impresión 3D NO necesitan moldes ni matrices.
• Producción orientada al consumidor: Cada producto puede ser personalizado según la demanda.

Dicho esto, a la hora de fabricar existirá entonces una comparativa de costos o ecuación de equilibrio entre llevar adelante una manufactura tradicional versus la fabricación aditiva del mismo producto. Mientras el costo unitario del primero disminuye con la cantidad de piezas producidas, esto no ocurre con la manufactura aditiva. Existirá entonces un punto de equilibrio en costos a partir del cual se elegirá una u otra tecnología.

Si bien existen varias tecnologías de impresión 3D, la más popular actualmente es el Modelado por Deposición Fundida (FDM o FFF) --- VIDEO TIMELAPSE LÁMPARA --- Este tipo de máquinas trabajan con filamentos plásticos que vienen en bobinas. Este hilo plástico es colocado en una boquilla extrusora y es depositado por el cabezal en las zonas donde debe ir el mismo para conformar la pieza.

El proceso de impresión resulta similar a una pistola de silicona que extruye plástico caliente a través de un pico-extrusor.  Imaginemos que si quisiéramos imprimir un vaso, entonces esta debería moverse en círculos depositando aros de plástico fundido uno sobre otro.

Una vez terminada la deposición del material por capa, la plataforma de construcción bajara cierta distancia (Entre 0.05 y 0.4mm) para que comience con la siguiente de la misma manera, permitiendo superponer el material y obtener el objeto.

La impresora (1) FDM cartesiana trabaja en 3 ejes (X,Y, Z). Las capas se “dibujarán” en la plataforma (plano XY) y el cabezal se moverá en Z para comenzar a depositar la siguiente capa una vez terminada la primera.

La Plataforma de construcción (2) es la superficie sobre la cual se deposita la primera capa de material. Es fundamental lograr una correcta adhesión del material a la plataforma ya que de esto dependerá que se construya correctamente la impresión. La mayor parte de los materiales necesitan una plataforma calefaccionada que mantenga al material a una temperatura que evite que la pieza se contraiga y se despegue de la base. Como superficies adherentes se suelen usar materiales especiales, como PEI, cinta azul de impresión, vidrio con spray (fijador para pelo) entre otros.

El filamento (3) es el material plástico de construcción (1.75mm de diámetro) que pasará por el pico extrusor (0.4mm, 0.6mm, 0.8mm o 1mm de diámetro) a temperatura. El filamento entra con mayor diámetro y se extruye a menor, de modo tal de tener mayor definición en el “trazo”.

El pico extrusor (4) posee un orificio por el que se introduce el filamento plástico (b), luego es empujado por una rueda tractora hacia la zona de calentamiento (a), para finalmente salir por una boquilla (c) varias veces más chica que el diámetro original como se ha mencionado en el párrafo anterior. 

Si se necesita usar la impresora para piezas que no tengan detalles muy pequeños en su cara superior, podría ser conveniente usar una boquilla más grande, mientras que si tengo una pieza sumamente detallada, me convendrá usar una boquilla de menor diámetro a pesar del mayor tiempo de impresión, para sacar más provecho de la herramienta, tiempo y diámetro de boquilla definen una ecuación de compromiso: Más detalle = más tiempo.

Es importante recalcar que muchos fabricantes publican máquinas con velocidades muy altas (hasta 250 mm/seg) pero el consumidor debe saber que no se suele imprimir a más de 70mm/seg debido a la viscosidad del plástico derretido. 

BOBINA de FILAMENTO

Las impresoras FDM utilizan material termoplástico que vienen en bobinas (los termoplásticos son polímeros que al aplicarles calor se funden). Los más usados en impresión 3D son el ABS, el PLA y el PETG entre otros.

El PLA (Ácido Poliláctico) es un plástico derivado del maíz o la caña de azúcar. Es biodegradable y su comportamiento y resistencia es similar al del PET. En la industria, el PLA se usa para realizar envases para alimentos. Es óptimo para imprimir en el aula ya que es uno de los plásticos que presenta menos dificultades durante el proceso, además de la no toxicidad de sus vapores. Es uno de los mejores materiales para imprimir con impresoras abiertas ya que las corrientes de aire no generan un problema. No se suele usar para la intemperie ni resiste esfuerzos a temperaturas arriba de los 60°C.

El ABS (acrilonitrilo butadieno estireno) es un termoplástico derivado del petróleo y por ende se recomienda imprimir en lugares abiertos o con buena ventilación. 

Es un material muy usado en los objetos cotidianos como los electrodomésticos. Se caracteriza por ser resistente a los golpes y en impresión 3D se recomienda para piezas que busquen tener resistencia mecánica y resistencia al desgaste, por ejemplo, un engranaje. Si bien es posible imprimir piezas chicas en ABS en máquinas abiertas, es importante saber que para piezas más grandes se debe de usar una máquina al menos semi-cerrada para controlar la temperatura y evitar el warping. No se suele usar para piezas que estén sometidas a la intemperie debido a que no resiste rayos UV ni tampoco resiste esfuerzos a temperaturas superiores a los 90°C. 

El PET (Tereftalato de polietileno) es el plástico más usado en el mundo. Se usa en botellas, envases, fibras, etc. La variante del PET que usamos en impresión 3D es el PETG. Es un  PET que fue modificado (Glycol-modificado) para que sea más fácil de imprimir en 3D.

El PETG se caracteriza por una funcionalidad muy similar al ABS (buena resistencia a la temperatura, duradero, resistente) y la facilidad de ser impreso como el PLA. Además muestra excelente adhesión entre capas, muy poca deformación durante la impresión, resistencia a ambientes con temperaturas bajas, resistencias químicas (a bases y ácidos) y la ausencia de olor durante su impresión. Tiene la capacidad de ser impreso en tonos translúcidos. Resiste temperaturas de hasta 60°C y puede ser impreso en impresoras abiertas. El PETG requiere mayor experiencia en impresión 3D que el PLA.

Otros materiales pueden ser Nylon, TPU, HIPS, PVA, FLEX, PEEK y filamentos con cargas metálicas, arena, madera y hasta nanopartículas de carbono, pero en general son menos comunes.

Para llevar a cabo una impresión 3D se necesita un modelado 3D. ¿Cómo puedo obtener ese modelado?. Puedo obtenerlo de 3 formas principalmente: descargando un archivo de librerías de internet (Ej: www.thingiverse.com), modelando en cualquier software de diseño  CAD (Rhinoceros, Solidworks, etc) o bien con un escáner 3D. Ese modelo lo vamos a exportar en una extensión de archivo conocida como .STL, el cual sería el equivalente al .JPEG de la impresión de papel.

En el caso de la tecnología FDM (Fused Deposition Modelling), ese archivo es enviado a una computadora con un software de preimpresión (Cura,Simplify3D,etc). Este software conocido como Slicer convierte el archivo .STL en coordenadas cartesianas o GCode (Protocolo que entiende la máquina) para que la impresora pueda moverse en X, Y y Z habiendo definido en el mismo parámetros tales como el espesor de capa o calidad, material, temperaturas, entre otras cosas.

Finalmente el archivo se guarda en un pendrive o tarjeta SD, se coloca en la impresora y la misma irá fundiendo el filamento plástico según coordenadas dadas hasta conformar la geometría final.

Vamos a enumerar distintos tipos de costos a continuación. Los primeros se refieren a los costos directos que aplican a la pieza en sí, tales como:

Material: La impresión 3D que tiene muy poca merma al tratarse de una tecnología de tipo aditiva (No sustrae material de un bloque como lo hace por ejemplo el fresado o torneado). El material consumido en una impresión siempre es calculado por el programa slicer de preimpresión. Esto permite conocer de antemano la cantidad de filamento que vamos a usar y el tiempo que tardará la misma.

Para tener en cuenta, 1 Kg de filamento sale aproximadamente 15  USD y se lo puede hacer rendir si se baja la densidad de relleno de las piezas en su interior.

Electricidad: La impresora consume aproximadamente lo mismo que una PC de escritorio: alrededor de 300W (0.3 KW). El suministro eléctrico nos cobran por energía activa entregada en kilowatt/hora (KW/hr) donde en la factura se puede apreciar un cargo fijo independiente al consumo y otra variable que sí depende del mismo.

La Mano de obra y Mente de obra es lo que más se lleva en los costos totales de la máquina. En muchos casos los siguientes puestos son cubiertos por una sola persona:

Operador del equipo: Es una persona requerida con habilidades de modelado 3D. Modelar una pieza requiere de tiempo dependiendo de la complejidad de la pieza. Lo bueno es que el modelado se hace una sola vez y luego se usa el mismo. Por lo general, es posible que luego de la primer impresión se deba volver a hacer ajustes en el modelado. Esta misma persona es la que luego genere el GCode (Instrucciones de máquina) con el slicer.

Amortización: Si bien las máquinas suelen durar mucho tiempo, resulta conservador tratar la amortización de la misma como un consumo en dólares del precio pagado por la máquina en 5000 hs de uso dado que al tratarse de tecnología, la misma avanza muy rápido. Es decir, si un año posee 250 días hábiles aproximadamente y consideramos que la tenemos imprimiendo 10 hs por día, entonces la estaríamos amortizando en 2 años aproximadamente. De este modo el driver del costo “amortización” son las horas máquina.

El extrusor es la pieza más crítica en la impresión 3D, se encarga de traccionar el filamento, derretirlo y expulsarlo por la boquilla, es por eso que debe de ser seleccionado con especial atención. 

La explicación de ambos puede encontrarse en internet, aquí sólo hablaremos de las ventajas y desventajas.

En Trimaker hemos decidido utilizar extrusores directos debido los siguientes motivos:

1) El 80% de los usuarios de impresoras 3D los prefieren.

2) Permite controlar mejor el flujo dado a que el motor se encuentra por sobre la boquilla a escasos centímetros. La retracción se puede fijar en apenas 1~1.5mm

3) El linear advance o control de presión de flujo funciona de mejor manera que en los bowden. Recordemos que el plástico es un fluido viscoso.

4) De la página del firmware MARLIN más usado en el mundo de impresión 3D

“Bowdens are an option to keep moving mass low and therefore allowing higher movement speeds, but don’t expect them to give the same precise filament lay down ability than a direct drive one”

La contra que tiene el extrusor directo es que debe mover un poco más de masa (200 gr más) dado que el motor está arriba, esto debería generar mayores vibraciones al momento de cambiar de dirección. Si lo pensamos de otra forma, las máquinas que mueven la plataforma pueden llegar a mover hasta 1Kg de filamento más el peso de la cama caliente.

De modo contrario, el bowden, mueve 200 gr menos (Peso del motor) pero posee las siguientes contras:

1) Se suele atascar el filamento en la sección cercana a la extrusión, para lo cual hay que desarmarlo para poder retirarlo.

2) Se suelen deteriorar con el tiempo y aflojar los racords que sujetan el tubo de teflón.

3) El control del filamento es menos controlada ya que retracción está en el orden de los 5~7mm.

Todo proceso generalmente posee consumibles, es decir partes que sufren desgaste con el uso, en este caso serían las boquillas del extrusor que con la temperatura del filamento se suelen carbonizar y tapar, deterioro del teflon interior del extrusor y recambio de PEI de cama (Lámina adherente de pieza) por desgaste.

Respecto a las boquillas, se puede ser conservador y considerar 1 boquilla por cada 4 Kg de filamentos. Si hablamos de la cama uno cada 20 Kg dependiendo que cama tengas y de cómo hayas optimizado la misma.

Cada 500 hs de uso le dedicas 2hs de operario para tensar correas o cambiarlas más el agregado de aceite en barras y grasa en tornillo.