Imagen de características de impresión 3D FDM
La modelización por deposición fundida es un proceso de fabricación aditiva que crea modelos físicos 3D a partir de diseños CAD. Los filamentos del material se introducen a través de una boquilla calentada, que funde el filamento extruido y deposita capas una encima de otra sobre la plataforma de construcción de la impresora.
La FDM es el método de impresión 3D más ampliamente aceptado, no solo para aficionados y prototipado conceptual, sino que también ha sido un método de fabricación destacado para probar prototipos, herramientas, modelos educativos, joyería y otras aplicaciones.
Este artículo abordará los fundamentos de la impresión 3D FDM, su principio de funcionamiento, los materiales compatibles y sus aplicaciones industriales.
¡Vamos a empezar!
Puntos Clave
- En la impresión 3D FDM, el filamento termoplástico se funde y se extruye a través de una boquilla calentada. Las sucesivas capas depositadas se unen entre sí para formar la pieza final.
- Las impresoras 3D de escritorio son ideales para prototipos en etapas iniciales e iteraciones de diseño rápidas, mientras que la impresión FDM industrial es mejor para piezas más grandes, prototipos funcionales, herramientas y tiradas de bajo volumen.
- La altura de capa, la temperatura de la boquilla/base, la velocidad de impresión, la refrigeración, el ángulo de trama, el material y la orientación de construcción son factores críticos a tener en cuenta en el proceso de impresión 3D FDM.
- Seleccione FDM para prototipos rápidos, modelos funcionales, herramientas, fijaciones, carcasas, soportes y componentes personalizados de bajo volumen.
- SLA y SLS son dos alternativas a FDM. SLA es más apropiada para elementos pequeños, paredes delgadas, alto nivel de detalle y aplicaciones que requieren un acabado más liso, mientras que SLS se utiliza para piezas funcionales complejas sin soporte.
Fundamentos de la impresión 3D FDM
Fundamentos de la impresión 3D FDM
La impresión 3D FDM consiste en imprimir los modelos diseñados de piezas y productos mecánicos capa a capa, siguiendo un patrón de segmentación predeterminado en la impresora 3D. Permite crear geometrías complejas y elaboradas, como curvas sinuosas, canales fluidos, esquinas profundas, estructuras reticulares onduladas, uniones entrelazadas y socavados. La principal limitación es el tamaño de la boquilla, generalmente de 0.4 mm o superior. Por lo tanto, la característica debe ser mayor que el tamaño de la boquilla.
Con la tecnología FDM se pueden imprimir diversos termoplásticos, como PLA, ABS, PA, TPU, PEEK y PEI. Según el tipo de material, es necesario ajustar la velocidad de alimentación, la boquilla, la altura de capa, la intensidad de enfriamiento y otros parámetros. El tamaño de impresión depende de las capacidades de la impresora 3D. A diferencia de las impresoras de escritorio, una impresora FDM industrial ofrece un volumen de impresión de 1 x 1 x 1 m.
¿Cómo funciona la impresión FDM? Mecanismo y pasos
Funcionamiento de la impresora 3D FDM
La FDM, también conocida como fabricación por deposición de filamento fundido (FFF), sigue el mecanismo de fabricación aditiva por extrusión de material, en el que un elemento calefactor funde el filamento termoplástico continuo y una boquilla deposita las capas. La forma final se obtiene mediante la formación de enlaces entre capas.
Analicemos en detalle el proceso de impresión 3D FDM.
Preparación y segmentación de modelos CAD
El primer paso en el proceso FDM consiste en preparar un modelo de ingeniería 3D (archivo .STL o .3MF) de la pieza/producto deseado en un software de diseño, como SolidWorks, CATIA y AutoCAD.
El siguiente proceso es el seccionamiento del diseño, en el que el modelo se divide en miles de finas capas horizontales, de modo que se puedan obtener códigos G precisos para el movimiento de la boquilla, el control de la temperatura y la velocidad de extrusión.
Configuración de parámetros de impresión para impresoras 3D FDM
Es necesario configurar diferentes parámetros de impresión 3D FDM, incluyendo la temperatura de la boquilla, la temperatura de la base, la altura de capa, la velocidad de deposición (impresión), la velocidad del ventilador de enfriamiento y la orientación de construcción, como se resume a continuación.
| Parámetro | Rango típico | Factores de influencia |
| Altura de la capa | 0.05 0.5 a mm | La altura de la capa influye considerablemente en la precisión dimensional. |
| Temperatura de la boquilla | PLA ~190–220 °C, ABS ~220–260 °C | Depende del material, el ángulo de tramado, el tipo de pieza y otros factores. |
| Temperatura de la cama | Utilizado como factor de control | Depende del material, el grosor y la respuesta al proceso. |
| Ángulo raster | 0 ° –90 ° | Define la dirección de deposición de capas (movimiento de la boquilla) con respecto al eje X de la base de impresión. |
Alimentación por filamento
El mecanismo de accionamiento del rodillo alimenta continuamente el filamento al sistema de calentamiento del licuador (cabezal de extrusión conectado a la boquilla). Al mismo tiempo, la boquilla también se calienta a una temperatura específica.
El filamento entra en el licuador.
Mediante un mecanismo de licuefacción, funde los filamentos sólidos, transformándolos en una sustancia viscosa, semilíquida o líquida a través de un cartucho eléctrico.
Deposición de capas a través de la boquilla
Impresión 3D FDM
El engranaje del extrusor empuja continuamente los filamentos sólidos, mientras que la presión de extrusión, impulsada por el filamento, fuerza el filamento fundido a través de la boquilla, depositando la capa sobre la base de impresión. La boquilla está fijada permanentemente al cabezal de impresión, que se mueve a lo largo de los ejes X, Y y Z (según lo dictan los códigos G) y deposita la capa con precisión.
Cada capa se une molecularmente mediante calor y presión. Cada interdifusión molecular constituye el enlace que soporta la carga.
Solidificación y remoción de piezas
Una vez que el objeto impreso se ha enfriado a temperatura ambiente, se retira de la plataforma de impresión. Según el tamaño de la pieza, la extracción puede realizarse manualmente o con un brazo robótico. En esta etapa también se retiran los soportes. Posteriormente, las piezas impresas requieren recorte y acabado.
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Materiales de impresión 3D FDM
Materiales de impresión 3D FDM
El ácido poliláctico (PLA), el tereftalato de polietileno glicol (PETG) y el acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) son los materiales más comunes para la impresión 3D FDM. Por consiguiente, también se utilizan PEI, PEEK, PC y otros termoplásticos. Puede elegir filamentos de estos materiales en el color y tamaño que necesite.
La aplicación prevista, los requisitos funcionales, las condiciones de funcionamiento, el acabado deseado y la compatibilidad con la impresora 3D son los factores principales que determinan la selección del material. El PLA proporciona resistencia y rigidez, y es adecuado para prototipos visuales. El ABS ofrece un buen rendimiento para piezas de exterior, autopartes, carcasas y prototipos funcionales. Por consiguiente, el PETG es una buena alternativa al plástico ABS para impresoras de escritorio.
| Material | Beneficios clave | Limitaciones |
| Ácido Poliláctico (PLA) | Baja deformación, fácil impresión 3D, precio relativamente asequible y con buen nivel de detalle en la superficie. | Menor estabilidad térmica y resistencia al impacto. |
| Polietilen tereftalato glicol (PETG) | Plástico resistente, flexible y a prueba de humedad. | Menor estabilidad térmica que el policarbonato, el ABS y algunos otros termoplásticos. |
| Acrilonitrilo Butadieno Estireno (ABS): | Existen grados biocompatibles (por ejemplo, ABS-M30i), más resistentes que el PLA y con buena resistencia térmica. | Emite humos fuertes durante la impresión y supone un riesgo de deformación. |
| Polieterimida (PEI / ULTEM) | Excelente resistencia térmica, alta resistencia mecánica y resistencia química. | Mayor temperatura de transición vítrea y materias primas costosas. |
| Poliéter éter cetona (PEEK) | Grados biocompatibles y de alta resistencia mecánica. | Alta temperatura de procesamiento |
| Policarbonato (PC): | Resistencia al impacto, estabilidad dimensional, claridad óptica y aislamiento eléctrico. | Higroscópico, propenso a la deformación y con alta temperatura de la boquilla. |
| Nailon | Resistencia mecánica, tenacidad y resistencia química. | Es higroscópico y requiere un secado controlado. |
| Poliuretano Termoplástico (TPU) | Resistencia química, baja fricción y resistencia a la abrasión. | Se requiere una baja velocidad de impresión y un control estricto de las temperaturas del proceso. |
| Polímeros reforzados | Excelente relación rigidez-peso, bajo riesgo de deformación en comparación con los filamentos sin relleno. | Requiere boquillas tratadas térmicamente y existe riesgo de formación de microvacíos. |
Consideraciones clave para la impresión 3D FDM
La selección de la impresora 3D, el grosor mínimo de la pared, el tamaño de las características, el postprocesamiento, la deformación del material y la selección del material son consideraciones importantes para el proceso de impresión 3D FDM, con el fin de garantizar la precisión, la resistencia y la calidad de fabricación.
Impresoras 3D de escritorio frente a impresoras 3D industriales
Las impresoras 3D de escritorio suelen ofrecer una plataforma de impresión de tan solo 0.2 x 0.2 x 0.2 m, adecuada para modelos conceptuales y prototipos iniciales. Por otro lado, las impresoras 3D industriales se recomiendan para imprimir prototipos de prueba, producciones a pequeña escala y componentes de ingeniería funcionales.
Optimización del diseño para evitar la deformación
Optimice su diseño para reducir la deformación disminuyendo las esquinas afiladas, manteniendo un espesor de pared uniforme y aplicando secciones de alivio de tensión.
Elija el material con cuidado
Al seleccionar el material para sus piezas impresas en 3D, tenga en cuenta la funcionalidad requerida, el entorno operativo, la facilidad de impresión y el costo.
Espesor mínimo de pared
El espesor mínimo de pared en la impresión 3D FDM debe ser de 2 a 3 veces el diámetro de la boquilla.
Considere el acabado de la superficie.
Antes de elegir la técnica de acabado, determine el nivel de rugosidad de la superficie y los requisitos estéticos. El pulido con vapor, el lijado en húmedo y el recubrimiento epoxi son algunas opciones comunes.
Tamaño de característica
El tamaño del elemento geométrico en su diseño debe ser mayor que los límites de resolución efectivos del proceso.
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¿Cuándo conviene elegir una impresora 3D FDM industrial en lugar de una impresora 3D de escritorio?
Las impresoras 3D de escritorio son para proyectos de aficionados, modelos visuales de pequeño tamaño y modelos conceptuales. Por otro lado, las impresoras 3D industriales FDM ofrecen mayores volúmenes de impresión (aproximadamente 1 x 1 x 1 m), mayor precisión y repetibilidad, la capacidad de imprimir diseños complejos y una amplia compatibilidad con diversos materiales.
Elija máquinas de impresión 3D FDM industriales para:
- Modelos funcionales
- Piezas de herramientas
- Prototipos rápidos
- Series de producción de componentes personalizados en bajo volumen.
Elija impresoras 3D de escritorio para:
Si te encuentras en las primeras etapas del desarrollo de un prototipo y quieres validar características específicas, una impresora de escritorio permite ciclos de iteración rápidos.
¿Qué opciones de acabado superficial existen para los prototipos impresos en 3D mediante FDM?
Dado que los objetos impresos en 3D mediante FDM se forman añadiendo capas sucesivas de material, las líneas de capa y la rugosidad de la superficie son visibles en su exterior. Existen diversas técnicas de acabado para solucionar este problema, como el arenado, el pulido con vapor, la pintura y el recubrimiento.
- Pulido con vapor: Una corriente de vapor funde el material de la superficie, formando una capa delgada, uniforme y brillante.
- Chorro de arena: Se proyectan gránulos de arena sobre las piezas impresas en 3D, eliminando las imperfecciones de la superficie y produciendo una superficie uniforme.
- Pintura: Se pueden aplicar pinturas adhesivas compatibles para la protección contra los rayos UV, con fines estéticos y para otros usos.
- Revestimiento epoxi: Proporciona una superficie lisa, duradera y resistente para prototipos impresos en 3D.
¿Cuáles son las aplicaciones de FDM? Impresión 3D?
Prototipado con FDM
Las piezas y prototipos impresos en 3D mediante FDM se utilizan en diversos sectores, como el automotriz, el médico, la electrónica de consumo, la fabricación de herramientas y la robótica. La FDM es una solución eficiente y rentable para empresas y desarrolladores de productos que buscan crear prototipos rápidos para pruebas de ajuste, funcionamiento y ensamblaje. También se puede utilizar para pruebas de concepto y modelos visuales.
Veamos algunos ejemplos de aplicaciones de impresión 3D FDM en diferentes industrias.
- Automotor: Prototipos de conductos de aire, revestimientos interiores, paneles de instrumentos y elementos de montaje.
- Estampación: Pruebas de prototipos de plantillas de ensamblaje, dispositivos de sujeción de piezas, moldes compuestos y mordazas blandas.
- Médico: Prototipos de prótesis, modelos anatómicos y carcasas para equipos.
- Electrónica de consumo: Carcasas a medida, accesorios de montaje y soportes de fijación.
- Robótica: Plantillas, dispositivos de fijación, herramientas de extremo de brazo (EOAT) y soportes para sensores.
¿Cuáles son las ventajas de la impresión 3D FDM?
- Bajo coste de instalación para impresoras 3D FDM.
- Tolerancia dimensional precisa, de tan solo ±0.25 mm.
- Permite la creación rápida de prototipos para diseños de ingeniería.
- Se requieren herramientas mínimas; no se necesitan herramientas de corte ni moldes.
- Plazos de entrega más rápidos, desde tan solo 1 día.
- Compatibilidad con varios plásticos de ingeniería.
- Alta personalización.
- Producción de características internas, ligeras y complejas.
¿Cuáles son las desventajas de la impresión 3D FDM?
- Las líneas de capas visibles en la superficie y, a menudo, los prototipos requieren operaciones de postprocesamiento.
- La resistencia de la pieza impresa y la complejidad que se puede lograr dependen del material de impresión 3D.
- La impresión de geometrías complejas requiere una estructura de soporte, lo que aumenta el tiempo de posprocesamiento y el consumo de materia prima.
- Las tolerancias dimensionales no son tan estrictas como en el mecanizado CNC y el moldeo por inyección.
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FDM vs SLA vs SLS Impresión 3D: ¿Cuáles son las diferencias?
SLA y SLS son dos diferentes tipos de impresion 3dAdemás de FDM, la estereolitografía (SLA) utiliza luz ultravioleta o un haz láser para el curado selectivo de la capa de resina, mientras que la sinterización selectiva por láser (SLS) sinteriza selectivamente el polvo de polímero capa por capa para construir la forma diseñada.
Compare estos métodos de impresión 3D en cuanto a materiales compatibles, complejidad, precisión, plazos de entrega y coste.
| Parámetro | FDM | SLA | SLS |
| Materiales | PLA, ABS, PETG, PC, nailon, TPU, PEI, PEEK y polímeros reforzados. | Diversas resinas termoestables líquidas fotosensibles | Termoplásticos en polvo, incluidos PA11, PA12, TPU y PP. |
| Complejidad: | Complejidad moderada, requiere una estructura de soporte para funciones internas y complejas. | Excelente para elementos de tamaño reducido y secciones de paredes delgadas. | Excelente. El propio polvo sin sinterizar proporciona soporte a la estructura de impresión. |
| Costo | Inferior a SLA y SLS | Moderado | Alto |
| Precisión | ± 0.2 hasta ± 0.5 mm | ~±0.025 a ±0.1 mm | ~±0.1 a ±0.3 mm |
| Hora | Tiempos de entrega rápidos | La velocidad de impresión depende de la arquitectura de la impresora, la altura de la pieza, la disposición del lote y el proceso. | Alto, al producir prototipos o un lote |
| ¿Cuando elegir? | Elija prototipos de bajo costo y de iteración rápida, y series de producción de pequeño volumen. | Elija cuándo se requieren acabados, detalles y alta complejidad. | Para componentes mecánicos funcionales y prototipos, piezas de nailon y prototipos complejos sin soporte. |
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Nuestros ingenieros realizan un análisis detallado de los diseños tras determinar la elección del material, la facilidad de impresión, la complejidad geométrica y las características de DFM (Diseño para la Fabricación), lo que puede ayudarle a decidir qué impresión 3D se adapta mejor a su proyecto.
Para comenzar a colaborar con nosotros, suba su archivo de diseño para recibir un cita revisada por ingenieroMantenemos la confidencialidad de cada diseño y especificación que se nos proporciona.
Referencias
[ 1 ] “Conceptos básicos del modelado por deposición fundida (FDM)”, Puerta de la investigación. ResearchGate – Fundamentos del modelado por deposición fundida (FDM)