Si alguna vez ha sostenido una pieza impresa en 3D que se rompió fácilmente cuando intentó atornillarla, o un componente que parecía lo suficientemente resistente como para resistir el uso repetido, ya sabe que no toda la resistencia impresa en 3D es igual. Como proveedor de piezas de modelos de impresión 3D, he pasado años solucionando estas diferencias exactas para los clientes, desde pequeñas empresas emergentes de robótica que necesitan carcasas duraderas hasta equipos de dispositivos médicos que requieren prototipos precisos y resistentes. La verdad es que la resistencia de una pieza impresa en 3D no es aleatoria; está determinado por una combinación de opciones de materiales, configuraciones de tecnología de impresión, decisiones de diseño y pasos de posprocesamiento. Analicemos cada uno de estos factores, compartamos lecciones del mundo real que aprendí en el trabajo y relacionémoslas con los tipos de piezas que producimos todos los días.
En primer lugar, el material que elija es el factor fundamental y, en parte, la resistencia. No puedo decirle cuántas veces un cliente ha venido a nosotros queriendo una carcasa de mano robótica personalizada para robots humanoides y diestros [enlace] que necesita agarrar objetos pesados, pero eligió una resina de bajo costo porque se imprimió más rápido, solo para que la carcasa se agrietara después de una semana de pruebas. Las resinas son excelentes para obtener detalles finos, pero la mayoría de las resinas de fotopolímeros estándar son quebradizas, especialmente en comparación con los termoplásticos utilizados en la impresión en lecho de polvo. Para piezas que soportan carga, siempre indico a los clientes datos de resistencia específicos del material, no solo el acabado de la superficie. Por ejemplo, si está imprimiendo una pieza que necesita una alta resistencia a la tracción o al impacto, obtendrá resultados diferentes entre PLA (un termoplástico común), nailon o metal. El nailon, cuando se procesa mediante sinterización láser selectiva (SLS), es flexible y resistente a los impactos, lo que lo hace ideal para recintos robóticos, mientras que las piezas de modelo [enlace] de acero inoxidable impresas en 3D por SLM ofrecen una resistencia a la tracción extrema para componentes de maquinaria industrial. Incluso entre las resinas, las resinas de grado de ingeniería (como Tough Resin o High-Impact Resin) ofrecen una resistencia mucho mejor que las resinas transparentes estándar; hemos visto a clientes actualizar de resina estándar a resina de ingeniería en diseños similares y duplicar la durabilidad de la pieza sin ajustar la configuración de impresión. También vale la pena señalar que las diferentes tecnologías de impresión utilizan diferentes materiales: las piezas de impresión 3D de resina [enlace] se basan en fotopolímeros líquidos, mientras que SLS usa polvos termoplásticos y SLM usa polvos metálicos, por lo que no es negociable hacer coincidir el material con el uso final de la pieza. Un error que veo a menudo es que los clientes eligen un material basándose únicamente en el costo o el tiempo de impresión, no en sus propiedades mecánicas intrínsecas; siempre analizamos primero los casos de uso para reducir las opciones de materiales antes de siquiera tocar la impresora.
A continuación, la tecnología de impresión 3D y los parámetros del proceso desempeñan un papel muy importante a la hora de traducir la resistencia de ese material en una pieza final. Comencemos con la altura de la capa, una de las configuraciones más impactantes. Las alturas de capa más bajas (capas más delgadas) generalmente dan como resultado una pieza más fuerte porque hay más uniones entre las capas adyacentes, pero tardan más en imprimirse. El mes pasado tuve un cliente que estaba imprimiendo un soporte funcional para un brazo robótico: inicialmente usó capas de 0,2 mm para ahorrar tiempo, pero el soporte se rompía a lo largo de las líneas de las capas cuando se levantaba con una carga de 5 kg. Cuando cambiamos a capas de 0,1 mm, la adhesión entre capas de la pieza mejoró tanto que aguantó 8 kg sin problemas. Pero la altura de la capa no es el único parámetro. Para el servicio de impresión SLS [enlace], por ejemplo, la potencia del láser utilizada para fusionar partículas de polvo es importante: es demasiado baja y las partículas no se unen completamente, creando espacios que debilitan la pieza; demasiado alto, se corre el riesgo de degradar el material, lo que también reduce la resistencia. Para la impresión con resina, el tiempo de exposición y la temperatura de curado (tanto durante la impresión como durante el poscurado) afectan la reticulación entre las moléculas de resina: un curado insuficiente produce piezas blandas y débiles, mientras que un curado excesivo puede hacer que la resina se vuelva quebradiza. Otro factor clave es la densidad y el patrón del relleno, que ajustamos para casi todos los clientes. El relleno es la estructura interna de la pieza, y una pieza con un 100% de relleno será mucho más resistente que una pieza con un 20% de relleno, pero también es más pesada y más cara. Para piezas que soportan carga, generalmente recomendamos un relleno del 50 al 70 % con un patrón triangular o hexagonal, que distribuye la tensión de manera uniforme mejor que los patrones lineales o de cuadrícula. Probamos esto en un componente de brazo robótico personalizado: el relleno triangular ofrecía una resistencia al impacto un 30 % mejor que el relleno de rejilla con la misma densidad, y el cliente no tuvo que pagar por material adicional. La orientación de la pieza en la plataforma de impresión también es crítica: las piezas impresas con capas paralelas a una carga casi siempre serán más débiles que las piezas impresas con capas perpendiculares a la carga, porque la unión entre capas es más débil que la unión dentro de una capa. No puedo decirle cuántas veces hemos reorientado la pieza de un cliente para solucionar un problema de resistencia, sin necesidad de cambios materiales. Por ejemplo, una montura que se imprimió en posición horizontal (capas paralelas a la fuerza de tracción) se rompería a 100 N; cuando lo giramos 90 grados para que las capas corrieran contra la fuerza de tracción, mantuvo 250 N. Se trata de una solución sencilla que marca una gran diferencia.
Luego están los factores específicos del diseño, que a menudo los usuarios primerizos de impresión 3D pasan por alto. El más importante es la geometría de las piezas, especialmente las concentraciones de tensiones. Las esquinas afiladas, las paredes delgadas y los cortes crean puntos donde se acumula tensión, lo que provoca grietas o roturas. Por ejemplo, una pieza con un ángulo recto de 90 grados tendrá una resistencia mucho menor que la misma pieza con una esquina redondeada (fileteada), porque la esquina redondeada distribuye la tensión de manera más uniforme. Siempre añadimos filetes de al menos 1 mm a cualquier parte que vaya a experimentar carga, y advertimos a los clientes sobre las paredes delgadas: si una pared tiene menos de 1,5 mm de espesor, será mucho más propensa a doblarse o romperse, especialmente si está hecha de un material quebradizo. Otro factor de diseño es el espesor de la pared: el espesor uniforme de la pared es clave, porque los espesores variables provocan un enfriamiento desigual durante la impresión, lo que crea tensión interna. Si un área de la pieza es dos veces más gruesa que otra, el área más gruesa se enfriará más lentamente, lo que provocará deformaciones o espacios que debilitarán la pieza. Tuvimos que rediseñar muchas piezas personalizadas para clientes que enviaron diseños con paredes irregulares: pequeños ajustes que hacen que la pieza sea imprimible y más resistente. Para las piezas metálicas, como los componentes de acero inoxidable y aluminio SLA de piezas metálicas impresas en 3D, también tenemos que tener en cuenta las estructuras de soporte: si los soportes se colocan incorrectamente, pueden dejar superficies rugosas o dañar la pieza al retirarlos, creando puntos débiles. Diseñamos la colocación de soportes específicamente para piezas metálicas que soportan carga, eligiendo tipos de soporte que minimicen la eliminación de material después de la impresión, de modo que la pieza final sea tan fuerte como el material base.
El posprocesamiento es el paso final que puede mejorar o deshacer la resistencia de una pieza y, a menudo, es el más subestimado. Para las piezas de resina, el poscurado es esencial: incluso si los ajustes de curado de la impresora son perfectos, la pieza necesita una exposición adicional a los rayos UV después de la impresión para reticular completamente la resina. Hemos probado piezas que no se curaron posteriormente: se sentían fuertes inmediatamente después de la impresión, pero se volvían suaves y quebradizas después de una semana de uso. Para las piezas de SLS, la eliminación de polvo y el granallado pueden mejorar el acabado de la superficie, pero un exceso de perlas puede erosionar las paredes delgadas y reducir la resistencia. Equilibramos la suavidad de la superficie con la integridad estructural ajustando la presión y el tiempo de granallado para cada pieza. Para las piezas metálicas, los pasos de posprocesamiento, como el tratamiento térmico, son comunes para aliviar la tensión interna del proceso de impresión. Las piezas de acero inoxidable impresas con SLM, por ejemplo, tienen pequeñas tensiones internas debido al proceso de fusión por láser, que pueden provocar deformaciones o grietas si no se alivian. El tratamiento térmico después de la impresión reduce estas tensiones, aumentando la resistencia de la pieza hasta en un 20% en algunos casos. También ofrecemos opciones de acabado como recubrimiento o mecanizado, pero siempre advertimos a los clientes que agregar un recubrimiento demasiado grueso puede agregar tensión o crear irregularidades si no se aplica correctamente.
Permítanme vincular todo esto con un ejemplo real de nuestro trabajo del último trimestre. Una empresa de ingeniería en robótica solicitó una carcasa de mano robótica personalizada para robots humanoides y diestros [enlace] que pudiera soportar el uso diario en pruebas de laboratorio, incluido el agarre de objetos de hasta 2 kg. El diseño inicial que presentaron estaba hecho de resina estándar, impreso en capas de 0,2 mm con un 20 % de relleno de cuadrícula y tenía esquinas afiladas. Cuando probamos un prototipo, se rompió tras el primer agarre. Analizamos juntos los factores: primero, cambiamos el material a Tough Resin de grado de ingeniería (piezas de impresión 3D de resina [enlace]), que tiene el doble de resistencia a la tracción que la resina estándar. Luego, ajustamos la altura de la capa a 0,1 mm para mejorar la adhesión entre capas, cambiamos el relleno a un patrón triangular del 60 %, agregamos filetes de 2 mm en todas las esquinas y reorientamos la pieza en la plataforma de impresión para que las capas corrieran contra la fuerza de tracción de la pinza robótica. También agregamos un paso de poscurado de 24 horas para garantizar la reticulación total de la resina. La pieza final aguantó 5 kg sin romperse y desde entonces el cliente ha pedido 50 unidades más para su laboratorio. Ese proyecto me hizo comprender que la resistencia no se trata de un solo factor, sino de combinar el material, los parámetros de proceso, el diseño y el posprocesamiento correctos para satisfacer las necesidades específicas de la pieza.
Como proveedor, nuestro trabajo no es sólo imprimir lo que los clientes piden, sino educarlos sobre cómo estos factores afectan su pieza final. Ya sea que esté imprimiendo un pequeño prototipo, un componente industrial funcional o una pieza robótica personalizada, tomarse el tiempo para acertar en cada uno de estos factores marcará la diferencia entre una pieza que funciona y una que falla cuando es importante. Si está trabajando en un proyecto y desea asegurarse de que sus piezas impresas en 3D sean lo suficientemente resistentes para el uso previsto, estamos aquí para ayudarlo en cada paso, desde la selección del material hasta el acabado final. Comuníquese con nosotros para analizar sus requisitos y obtener una cotización adaptada a su proyecto.
Referencias
- Gibson, I., Rosen, DW y Stucker, B. (2015). Tecnologías de fabricación aditiva: impresión 3D, creación rápida de prototipos y fabricación digital directa. Saltador.
- ASTM Internacional. (2020). Método de prueba estándar para las propiedades de tracción de los plásticos (ASTM D638).
- Bagchi, A. y Guceri, SI (1994). Propiedades mecánicas de piezas de estereolitografía. Revista de creación rápida de prototipos, 1(1), 16-23.
- Wong, KV y Hernández, A. (2012). Una revisión de la fabricación aditiva. ISRN Ingeniería Mecánica, 2012, 1-10.
