Impresión 3D#
Tipos de Impresión 3D#
Hay varios tipos diferentes de impresión 3D. FDM (Modelado por Deposición Fundida) (también conocido como Fabricación por Filamento Fundido) extruye un filamento fundido para crear una pieza y es el tipo más común y en el que nos enfocaremos en esta guía. SLA (estereolitografía) y SLS (Sinterización Selectiva por Láser) son opciones para imprimir plásticos en 3D, pero generalmente son más complejas, costosas o tienen otras desventajas en aplicaciones de FTC®. Por estas razones, no se recomiendan.
La impresión 3D en metal (SLS y otras) también está cada vez más accesible, pero no entra en el ámbito de esta guía.
Truco
Considera la posibilidad de consultar la sección de impresión 3D en FTC docs, una guía de impresión 3D FDM en el ámbito de FTC. Cubre temas como: adherencia en la cama de impresión, tolerancias, diseño para impresión 3D, puesta a punto y opciones de hardware.
Ventajas de la Impresión 3D#
La impresión 3D se presta a la posibilidad de ajustar los tamaños para conseguir una optimización perfecta; por ejemplo, los equipos pueden imprimir un carrete del diámetro exacto necesario para alcanzar una velocidad óptima, o una polea de correa con un número determinado de dientes.
La impresión en 3D permite a los equipos adaptarse fácilmente a diferentes kits y piezas individuales, ya que no todos los kits disponen de soportes o monturas adaptables. Un buen ejemplo de ello son los adaptadores de mecanum Nexus que los equipos imprimen en 3D.
La impresión 3D permite a los equipos fabricar piezas que, de otro modo, serían imposibles con materiales como el aluminio, debido a las restricciones del maquinado.
La impresión 3D permite a los equipos tener carcasas de protección personalizadas en cables y conexiones. Es un buen proyecto en el que vale la pena invertir tiempo.
Desventajas de la impresión 3D#
Si se te acaban los repuestos impresos en 3D en una competencia, probablemente te encontrarás en graves problemas. Es recomendado que los equipos impriman al menos un juego de cada pieza como repuesto para las competencias.
Las piezas impresas en 3D suelen ser más débiles que otros materiales como el aluminio. Sin embargo, hacer una impresión en la orientación adecuada puede ser muy resistente: los equipos han impreso ganchos en 3D y otras piezas para sostener su robots de FRC® (120 libras) y de FTC (40 libras).
Las piezas impresas en 3D sólo deben de recibir fuerza en una orientación. Es decir, si el robot cuelga de un gancho, la única carga debe estar en la cara inferior de la parte curva del gancho. Intenta eliminar las fuerzas laterales en la medida de lo posible para evitar la ruptura de la pieza.
El tamaño de las piezas impresas en 3D está limitado por el tamaño de la cama de impresión.
Las impresiones grandes y anchas pueden tardar mucho tiempo (toda la noche) en imprimirse y se corre el riesgo de que fallen.
La impresión 3D puede resultar bastante cara, aunque se puede encontrar filamento a un precio razonable en vendedores en línea como Amazon.
Filamentos Comunes#
Para casi todas las piezas que necesitan ser impresas en 3D para FTC, PLA (o PLA+, Pro, etc) y/o PETG cumplirán todas las necesidades de resistencia, durabilidad y estética. Estos dos tipos de filamento son, por mucho, los más fáciles de imprimir, y son vendidos por muchos fabricantes a precios bastante razonables. La mayoría de los otros filamentos ofrecen ventajas muy específicas (como el TPU) que vienen a costa de tiempo, esfuerzo y dinero.
Peligro
Si el hotend de tu impresora (la parte que derrite el filamento) tiene un revestimiento de PTFE (Teflón) donde el tubo de PTFE llega hasta el bloque de calor (común en impresoras de menor precio como la Ender 3 y sus variantes), entonces no debes imprimir a una temperatura igual o superior a 250 grados Celsius. Hacerlo causará que el tubo de PTFE se degrade y se derrita, liberando gases tóxicos. Si necesitas imprimir a estas temperaturas y tienes un hotend revestido de PTFE, puedes considerar actualizar a un hotend completamente metálico.
PLA (ácido poliláctico)#
El filamento de impresión 3D más común es el ácido poliláctico, o PLA. Es un plástico fabricado a partir de fuentes biológicas como el almidón de maíz y la caña de azúcar. El PLA es rígido, aunque más quebradizo que otras opciones de filamento, y tiende a tener muy pocas o nulas deformaciones al imprimir. El PLA es adecuado para la mayoría de las piezas que puedas necesitar en tu robot, pero puede que no resista bien las cargas de choque (impactos en las piezas), por lo que éstas deben diseñarse tomando esto en consideración.
Los rangos de temperatura del hotend PLA van desde 190°-230° C
Las temperaturas de la cama PLA van desde 20°-60° C, pero no es estrictamente necesario tener una cama caliente para PLA.
Truco
Debido a la temperatura de derretimiento relativamente bajo del PLA, no es aconsejable dejar las piezas de PLA en lugares como un coche caliente, ya que esto puede producir graves deformaciones en dichas piezas.
Hay muchas variaciones de PLA vendidas por diferentes fabricantes, como PLA+ o PLA Pro. Estos filamentos contienen varios aditivos para mejorar su resistencia, capacidad de impresión y otras propiedades. Aunque son más caros, estos productos pueden mejorar mucho el rendimiento del PLA y cubrir sus puntos débiles.
PETG (Polietileno Tereftalato Glicol)#
El PETG puede describirse como una mejora en resistencia comparado al PLA. No es difícil de imprimir, pero a menudo presenta una mayor cantidad de derramamiento y otros defectos menores. Aunque técnicamente tiene una menor resistencia a la tensión que el PLA, es mucho menos quebradizo y resiste mejor los impactos, con un ligero nivel de flexibilidad. Es una gran opción para las piezas FTC que necesitan ser resistentes al impacto donde el PLA no será suficiente. Su mayor resistencia a la temperatura también significa que no se deformará a una temperatura ambiente elevada, como la de un coche caliente.
Advertencia
El PETG es conocido por adherirse muy bien a las camas de impresión, especialmente aquellas hechas de vidrio y PEI, y es conocido por arrancar trozos de esta a la hora de intentar retirar las piezas. Es una buena idea añadir un poco de pegamento en barra o spray de cabello antes de imprimirlo.
Los rangos de temperatura del hotend PETG van desde 230°-260° C
Las temperaturas de la cama PETG van desde 60°-80° C
Filamentos Menos Comunes#
Estos filamentos son menos utilizados que los mencionados anteriormente, sin embargo, aún pueden encontrar muchos casos de uso en un robot FTC. Suelen utilizarse por las propiedades específicas del material, como la flexibilidad o la durabilidad. Sin embargo, a menudo vienen con obstáculos importantes que impiden que algunas impresoras los impriman de inmediato, además de ser a veces significativamente más caros.
ABS (Acrilonitrilo Butadieno Estireno)#
ABS solía ser el filamento estándar para la impresión antes de que el PLA estuviera disponible comercialmente. Probablemente hayas usado ABS antes en piezas de LEGO®. Puede soportar cargas altas y es bastante dúctil. Esto tiene un costo en la dificultad de impresión, donde a menudo es necesario un recinto para aumentar la temperatura ambiente y evitar deformaciones graves en la pieza. Las mejoras en resistencia sobre el PLA se pueden encontrar más fácilmente en PETG, por lo que las piezas de ABS no son tan comunes en FTC. Sin embargo, el ABS es bastante asequible, se vende a los mismos precios que el PLA.
El rango de temperaturas del hotend ABS va de 230°-250° C.
Las temperaturas de la cama ABS oscilan entre 100°-120° C
Se recomienda un encerramiento para evitar deformaciones
Debido a la gran dificultad para imprimir ABS, y a sus limitaciones, se recomiendan buscar alternativas como el ASA, que ofrece propiedades similares con una mayor facilidad de impresión.
TPU/TPE (poliuretano termoplástico/elastómero termoplástico)#
Tanto el TPU como el TPE son filamentos de impresión comunes que se utilizan ampliamente por sus propiedades de material flexible. Esto permite crear piezas impresas que pueden flexionarse y doblarse fácilmente. El TPU/TPE se vende con muchos durómetros diferentes (una medida de la dureza/flexibilidad de un material en la escala de dureza Shore), y es un filamento versátil y muy duradero gracias a su gran resistencia a los impactos y a la adherencia de las capas. En FTC, los equipos utilizan el TPU/TPE en funciones como alas de absorción para un in-take en lugar de un tubo, así como correas personalizados para aplicaciones de baja carga.
Truco
Debido a su naturaleza flexible, las impresoras que utilizan un sistema de extrusión de tubo Bowden, en el que el motor del extrusor no se coloca en el hotend, tendrán grandes dificultades para imprimir TPU/TPE.
TPU/TPE temperaturas del hotend varían de 210°-250° C
TPU/TPE generalmente no necesita una cama caliente, pero si se utiliza una, no debe superar los 60 °C, ya que esto fusionará TPU con la cama de impresión.
El TPU/TPE tiende a absorber mucha humedad del aire, por lo que es probable que sea necesario secarlo antes de la impresión, e inclusive quizás durante la misma.
Se recomienda encarecidamente un extrusor de accionamiento directo
Filamentos Exóticos#
Rara vez se necesitan estos filamentos en FTC. Ofrecen propiedades de material extremadamente buenas para piezas que deben someterse a fuerzas elevadas y entornos adversos. Todos ellos son mucho más caros que cualquiera de los filamentos enumerados anteriormente, y ofrecen una multitud de retos para su impresión.
Nylon#
Los filamentos de nylon pueden estar rellenos de vidrio, fibra de carbono o ser puros. El nylon es el rey en cuanto se trata a la resistencia al impacto, en muchas situaciones en las que la pieza va a flexionarse en lugar de romperse por completo. Ocasionalmente, el nylon se utiliza para piezas como cubiertas de ruedas en un chasis, y en lugares donde se golpeará y maltratará repetidamente. El nylon requiere temperaturas muy elevadas, por lo general requiere un encerramiento y es absolutamente necesario secarlo antes (y durante) la impresión.
Las temperaturas del hotend de nylon van desde 240°-260° C
Las temperaturas de la cama de nylon varían de 55°-80° C
El nylon es conocido por absorber la humedad del aire y debe secarse a fondo antes y durante la impresión. Si no se hace, probablemente se obtendrá una pieza casi inutilizable.
Se recomienda un encerramiento.
Filamentos Rellenos con Fibra de Carbono#
Muchos filamentos también se venden con pequeños trozos de fibra de carbono mezclados con el propio filamento. Aunque a menudo se consideran una mejora considerable de la resistencia, estos filamentos están pensados para ser más rígidos y ayudar a mejorar la capacidad de impresión de filamentos como el nylon. Los filamentos rellenos de fibra de carbono suelen requerir temperaturas más altas y una boquilla de acero endurecido, sin embargo, si puedes imprimir las variantes puras de esos filamentos, deberías poder imprimir sus equivalentes rellenas de fibra de carbono.
Policarbonato (PC)#
El policarbonato y sus variantes son materiales técnicos muy resistentes. El PC destaca por su capacidad de ser muy rígido y soportar muy bien las fuerzas de choque. El PC también requiere estar seco, tener una impresora capaz de soportar muy altas temperaturas y un encerramiento. Es un material muy difícil de imprimir, y suele ser muy caro. Hay pocas razones para necesitar piezas de policarbonato impresas en FTC, ya que no hay casos de uso que requieran su resistencia.
Hay varias mezclas de PC que pueden ser mucho más fáciles de imprimir, un ejemplo destacado es PolyMaker PolyMax PC. Se trata de un PC más fácil de imprimir y de menor temperatura que conserva muchas de las ventajas del PC puro. PolyLite no es tan resistente a los impactos, pero es mucho más barato. Ambos son mucho más fáciles de imprimir que el PC puro.
Las temperaturas del hotend de la PC oscilan entre 250°-320° C
Las temperaturas de la cama de la PC oscilan entre 80°-140° C
Se requiere un encerramiento
El filamento debe mantenerse seco
Filamentos exóticos de alta gama#
Hay algunos otros materiales que pueden tener beneficios de gama muy alta, y empujar el limite en lo que la impresión 3D puede lograr, pero no debes imprimirlo si no tienes * mucha * confianza en tus habilidades de impresión, sin embargo, realmente no tienen ningún uso en FTC. Estos materiales incluyen, pero no se limitan a, Delrin (polioximetileno homopolímero acetal), PEI (poliéter imida, marca ULTEM), PEEK (poliéter éter cetona), y PEKK (poliéter cetona). Estos materiales son extremadamente difíciles de imprimir, requieren temperaturas excesivas (algunas hasta el punto de que una boquilla de acero endurecido empieza a fundirse) y son extremadamente caros.
Guía de Diseño para Imprimir en 3D#
Presentamos una guía rápida sobre el diseño de piezas impresas en 3D que esperamos sea útil para los equipos que no estén familiarizados con las piezas en 3D.
La primera consideración a la hora de diseñar piezas impresas en 3D es la orientación de la impresión. Se refiere al lado que entra en contacto con la cama de impresión. Preferiblemente, la pieza debe tener un fondo plano para maximizar el contacto con la cama.
Truco
Maximizar el contacto con la cama de impresión garantizará que la pieza no se despegue o deforme a mitad de impresión, y aumentará la calidad de la misma.
Si es imposible que la pieza tenga una cara plana sobre la que imprimir, una solución sencilla es dividir la pieza en varias partes a lo largo de un plano. Por ejemplo, la placa de la caja de engranes que se muestra a continuación no tenía una cara plana sobre la que imprimir, así que se dividió por la mitad. Posteriormente, la pieza se unió con varios tornillos y pegamento plástico. Si esta placa se hubiera impreso como una sola pieza en lugar de dividirla por la mitad, habría que utilizar material de soporte para crear todos los orificios necesarios. Las piezas que no utilizan material de soporte garantizan que se desperdicie la menor cantidad de plástico posible.
Truco
No hagas biseles ni redondeos en el perímetro de la primera capa de la cara inferior de la pieza. Biselar o redondear aumentará las posibilidades de que la pieza se deforme, especialmente en placas de impresión sin calentar.
Ángulo de Colgado#
El ángulo de colgado se refiere al ángulo de voladizo entre el lado de la pieza y el vector normal de la placa de impresión. El ángulo de inclinación máximo se refiere al ángulo máximo que la impresora puede imprimir sin material de soporte, lo cual depende de la impresora, los ajustes de impresión (en particular, la velocidad, la temperatura y la refrigeración) y el tipo de filamento. Cuando intentes reducir el material de soporte, ten en cuenta todos los ángulos salientes y asegúrate de que se encuentran dentro del ángulo de inclinación máximo. Mantenerse dentro del ángulo de inclinación máximo también reducirá las posibilidades de que la pieza se deforme.
Vectores de Estrés#
Quizá la parte más importante a considerar son los vectores de estrés. Las piezas impresas en 3D son intrínsecamente más fuertes en dos ejes y más débiles en un eje. El eje más débil proviene de la acción de estratificación (capas) que define la impresión 3D FDM. Una solución común para esto es simplemente aumentar la temperatura de impresión hasta un cierto límite hasta que comienza a disminuir la calidad de impresión, pero el eje más débil se puede resolver dividiendo de nuevo en múltiples partes. El punto a transmitir es tratar de aumentar la fuerza mediante la optimización de las secciones de la pieza en el plano en el que se están imprimiendo. Por ejemplo, el siguiente ensamblaje era responsable de colgar todo el robot, por lo que tenía que tener la máxima resistencia posible para una pieza impresa en 3D.
Truco
Puede parecer contraintuitivo dividir una pieza en varias partes para aumentar la fuerza, pero hay una lógica detrás de ello.
La pieza podría haberse impreso fácilmente como una sola pieza, pero sería bastante débil cuando las fuerzas de estrés se ejercen en dirección ascendente. Dividir la pieza y crear nuevas superficies planas sobre las que imprimir reforzará cada eje. Si fallara una pequeña pieza, el robot podría seguir funcionando en cierta medida. Esto sería preferible a que fallara toda la pieza a la vez. En este ejemplo, las piezas laterales se imprimieron como piezas separadas en un eje complementario para reforzar el conjunto.
Este ensamblaje es un buen ejemplo de cómo tener en cuenta la orientación de las piezas, los ángulos de cuelgue y los vectores de estrés en cada parte del diseño. Las piezas complejas pueden hacerse fuertes y sin ningún apoyo, simplemente dividiéndolas de la forma correcta.