como funciona la impresion 3D FDM

Empecemos por lo básico. Cómo funciona una impresora 3D FDM. Para ser precisos deberíamos llamarlo fabricación aditiva por deposición de material fundido. Es un nombre descriptivo:

  • Fabricación aditiva: Se trata de fabricar objetos añadiendo material. Ir añadiendo bolitas de plastilina y dándoles forma sería una manera de hacerlo. En el caso de la impresión 3D se van añadiendo capas una encima de otra. Cómo ir añadiendo folios con forma uno encima de otro, hasta completar la figura deseada.
  • Deposición de material fundido: En vez de folios, lo que se hace es fundir material en un cabezal, y este se va moviendo y dejando tras de sí un hilo de este material fundido que se solidifica y se fusiona con el material ya depositado.

Estos son los requerimientos básicos. Pero para poder suministrar y fundir el material en un cabezal, y moverlo tridimensionalmente, hacen falta muchas otras partes que vamos a ver en breve, funcionando al unísono, todo controlado desde una electrónica. 

Esto no deja de ser una máquina de control numérico de 3 ejes, pero en vez de una herramienta cortante, tiene un cabezal que deposita material. También podríamos decir que una impresora 3D es un tipo de robot; Un robot factoría; Una mini-factoría robotizada. Entiéndelo como quieras.

 

Poceso de impresión

El primer paso es obtener un modelo tridimensional de un objeto. Se puede obtener mediante:

Luego se prepara el modelo mediante un programa slicer, ajustando los parámetros a la impresión del objeto y a la impresora.

Con ello se obtienen las instrucciones precisas que seguirá la impresora 3D para realizar el objeto. Estas instrucciones se llaman gcode.

El gcode lo interpreta la electrónica de control, que tiene su propia configuración, acorde con la construcción y los componentes de la impresora 3D.

Básicamente se controla el movimiento, la temperatura, y la entrada de material.

Se prepara la impresiora, luego la fabricación automática empieza. Se coordinan todos los componentes para realizar el objeto, capa sobre capa.

El carro se mueve en dos o tres ejes. La superficie de impresión se puede mover en el otro.

En el cabezal se calienta el material y se deposita sobre la superficie de impresión dejando un hilo tras de sí. La base caliente también se puede calentar si el material lo requiere.

Este material se va solapando y amontonando con la forma definida en el diseño 3D, creando así la pieza.

Vamos a ir ampliando como funciona y como usarla, y otros aspectos a tener en cuenta, a lo largo de esta guia. Empezemos viendo sus partes y que función realizan.

 

Impresora 3D FDM por partes

Vamos a detallar todas estas partes que hacen posible la impresión 3D FDM. Hay diferentes tipos de FDM, pero vamos a concretarlo con la más común de todas que utiliza bobinas de filamento como forma de suministrar el material.

 

Cabezal: 

También llamado hotend. Es donde se calienta el material, y se funde. Y debido a la presión que se ejerce desde el extrusor este sale por la boquilla (o nozzle), por un agujero diminuto. El tamaño de este es importante conocerlo ya que de ello depende la cantidad de material que puede salir por la boquilla, y cuanto más pequeño más preciso, pero también más lento, y susceptible a que se obture.

En el cabezal también encontramos el bloque calefactor, que es la parte que aloja una resistencia que se calienta, y este bloque calienta la boquilla. Para controlar la temperatura también aloja un termistor que envía su señal a la electrónica para controlar la resistencia.

Pero interesa que ese calor se quede dentro de la boquilla, de manera que el material no se funda prematuramente. Para conseguir eso hay principalmente dos estrategias: poner un difusor, o poner un material aislante. El límite de temperatura al que puede trabajar la boquilla lo dictará el diseño de esta parte. 

El difusor, normalmente de aluminio quita el calor transmitiendo al aire, y requiere de ventilación para que funcione correctamente. El límite de temperatura al ser metálico puede ser muy alto, pero añade peso y volumen al cabezal. 

En cambio con un material aislante simplemente se impide que este calor se transmita al hilo, pero el límite de temperatura suele ser más bajo que con difusor.

Finalmente en la parte más alta del cabezal hay la entrada del hilo. Que en el sistema de extrusor bowden requiere que haya un acople para el tubo por donde entra el hilo.

 

Extrusor

El extrusor es básicamente el motor que tira del hilo hacia el cabezal. Y lo hace mediante un cilindro moleteado o engranado. Los más básicos solo cogen el material por un lado, pero hay montajes más avanzados que lo cogen por dos lados, mejorando el agarre.

Puede que este cilindro moleteado esté en el propio eje del motor, transmitiendo directamente la fuerza y velocidad al filamento. O puede que haya un engranaje reductor, aumentado el par del motor pero reduciendo su velocidad. Esto último es más óptimo, pues lo que necesitamos es fuerza y precisión, pero es más caro y pesado. Aunque la transmisión directa suele ser suficiente para la mayoría de impresoras DIY.

El extrusor puede estar montado en el carro del cabezal, cogiendo el material y metiendolo directamente al interior de este. A esto lo llamamos extrusión directa, pues la fuerza hacia la boquilla es casi directa. Sobretodo si el filamento a partir del agarre está bien dirigido y cerrado, este sistema es óptimo para materiales flexibles.

En cambio en el sistema bowden la extrusión está lejos del cabezal, y por eso necesitamos restringir el filamento dentro de un tubo que lo guíe. Esto permite montar el extrusor fuera del carro en movimiento, reduciendo su peso significativamente, pero complicando un poco el movimiento del filamento, pues la presión que llega a la boquilla tiene un decalaje que depende de la rigidez del material. Este sistema tiene problemas con materiales flexibles o semirrígidos como el Nylon.

 

Base

La base es la superficie donde se asienta la pieza, y donde se agarra la primera capa. El agarre de esta capa es esencial para el éxito de la impresión. Para conseguir eso la mayoría de materiales necesitan que esté caliente, sobretodo de manera uniforme y muy estable. Por eso debajo de la superficie de impresión hay en muchas impresoras una cama caliente. Esta puede ser:

  • un circuito impreso que ofrece una resistencia y se calienta, lo cual es muy  económico, pero suficiente para calentar a 100º. Y es fácil de montar.
  • o puede ser de silicona con una resistencia en zigzag dentro. Un cable resistor cubierto de silicona se puede calentar muy rápido, y por ello es un poco peligrosa si no hay un circuito extra de seguridad para que se pare.
  • Por debajo puede estar aislada con diferentes materiales, tejidos de fibra o lamina de corcho, entre otros… El caso es que esto dirige todo el calor hacia la superficie de impresión y es mucho más eficiente.

El material típico de la base es de vidrio. El de borosilicato puede aguantar mejor las temperaturas, pero es un poco quebradizo. El vidrio es ideal pues ofrece una superficie lisa que no se deforma con la temperatura y es un buen depósito térmico: lo que hace que la temperatura sea más uniforme y cambie lentamente. El vidrio además es el material más versátil, pues se le pueden añadir tratamientos provisionales: como es la laca, cola celulósica, o ABS diluido en acetona. También se le puede añadir cinta azul para tener una superficie porosa donde el material fundido se pegue.

Otros materiales típicos son el aluminio, que ofrece muy buena transmisión del calor, pero por eso no es tan uniforme y disipa la temperatura muy rápidamente. Pero es barato. Por eso algunos fabricantes lo utilizan y pegan a un lado una lamina de plastico. Esta combinación es interesante si esta lámina es magnética y flexible. La adhesión del plástico es buena, y esa flexibilidad permite sacar las piezas fácilmente una vez impresas.

Una innovación interesante es la superficie cerámica. Es muy buena transmisora del calor y con los materiales y tratamiento adecuados los poros de la cerámica se abren o contraen a la temperatura de impresión, permitiendo muy buen agarre cuando se calienta, y facilitan la extracción de la pieza cuando se enfría. En estas superficies son un poco delicadas, y no se le puede añadir ningún otro tratamiento y se tienen que cuidar limpiandolas bien.

 

Ejes: Guías, motores y correas.

Como veremos cuando hablemos sobre los tipos de movimiento el carro y la base tienen que moverse. Por eso se necesitan guías por donde se deslizan las partes con la mínima fricción. Y estas se tienen que conectar mediante correas a los motores paso a paso, controlados por la electrónica. Hay diferentes tipos de guías:

  • Barras cilíndricas: En combinación con rodamientos cilíndricos es una solución de equilibrio entre coste y calidad.
  • Rieles cuadrados: Mucho más estables y con menor fricción, pero más caros que los cilíndricos.
  • Ruedas sobre guías: Parece una solución barata, y lo es, pero el caucho de las ruedas absorbe las vibraciones, mejorando la calidad de impresión. El quid está en que tienen una velocidad más limitada, en comparación a los otros rodamientos.

De los motores nos interesa el par. Tiene que ser suficiente para mover el cabezal. Y tienen que ser paso a paso para poder controlarlos con precisión.

 

Ventiladores

En una impresora 3D encontramos diferentes ventiladores, cada uno con una función.

  • Ventilador de capa: Este ventilador dirige aire hacia la punta de la boquilla para que el material saliente se enfríe rápidamente. Algunos materiales requieren de este ventilador (PLA) pero en otros este efecto de enfriamiento es muy contraproducente.
  • Ventilador de difusión: Los cabezales con difusor necesitan este ventilador para que haga pasar aire por ahí. Es de vital importancia que esté siempre encendido. Y que el aire expulsado vaya hacia arriba.
  • Ventilador de refrigeración: La electrónica requiere de refrigeración. Sobretodo los microcontroladores de los motores, que tienen tendencia a calentarse mucho.
  • Ventilador de cámara caliente: Algunas impresoras con cámara caliente incorporan ventiladores para regular la temperatura con precisión. Además también pueden incorporar filtro de partículas al aire expulsado, lo cual es muy interesante para imprimir materiales con humos tóxicos como el ABS.

 

Electronica

  • Placa de control: La placa controladora es el cerebro de la impresora. Aquí se procesa el firmware a través de estos elementos destacables:
    • CPU:  Un microprocesador de 8 bits a suficiente velocidad va sobrado para coordinar los motores y sensores, siguiendo el gcode. Y es lo óptimo para los kits DIY. Pero hará falta más si hay más elementos como wifi o cámaras, como vemos en maquinas con mas prestaciones.
    • Microcontroladores: Esta parte de la electrónica se conecta al motor para controlar los pasos que hace. Es un apartado delicado de la electrónica. Es interesante que se puedan sustituir (que no estén integrados), pues se pueden estropear fácilmente. También es necesario que puedan hacer micropasos al menos 1/16 en impresoras cartesianas.
    • Entradas y salidas: Además de los pines necesarios para los motores, endstops, termistores, y ventiladores, puede que te interese que haya alguno más libre para poder instalar mejoras. También es interesante que sea reconfigurable, para poder adaptar la electrónica al tipo de impresora concreto, en caso que sea DIY. También es interesante que tenga salida de 12v para alimentar la cama caliente. Aunque hay configuraciones que la alimentación es externa a la placa y esta salida controla la cama mediante un relé.
  • Fuente de alimentación: La estabilidad y potencia de la fuente es esencial, sobretodo para suministrar potencia a la cama caliente, que es lo que más gasta. Pero contrariamente a lo que parece una impresora 3D no gasta mucho más, y no requiere una fuente muy potente. Si no es una impresora de gran formato, luego la estabilidad de la corriente es lo más importante para asegurar que los micropasos sean precisos y sin decalajes.
  • Cama caliente: Es una resistencia que transmite calor a la superficie de impresión, esencial para la adhesión y estabilidad térmica durante la impresión. La potencia de la cama ayuda a poder subir más rápidamente la temperatura, y a asegurar que se mantenga estable. Algunas solo llegan a 50º con suficiente rapidez, pero tardan mucho más a llegar a 100º. También es importante tener en cuenta cómo se transmite ese calor a la superficie de impresión, y si está aislada por el otro lado para que no haya pérdidas.
  • Calefactor cabezal: Es la resistencia que calienta el cabezal. No tiene demasiado secreto. Pero es lo que permite la deposición de material fundido, precisamente.
  • Termistores: Estos elementos son los termómetros que miden la temperatura en puntos concretos: en la cama caliente, y en la boquilla. De esta manera se puede controlar la alimentación a las resistencias y controlar la temperatura.
  • Finales de carrera: Este sensor no deja de ser un botón, que al activarse la impresora detecta que se ha llegado al final de un eje de movimiento. De esta manera se marca la posición 0 y permite que se conozca la posición del cabezal a partir de ahí.
  • Conexiones: La placa de control debe recibir la información necesaria para imprimir mediante un gcode. Esto se puede hacer cargandolo desde una memoria en una tarjeta SD, o USB. O se puede conectar la impresora a un PC, mediante USB, ethernet o wifi.
  • Interfaz de control: No es algo necesario si la impresora está siempre conectada a un PC. Pero es esencial si la impresora debe funcionar autónomamente. El usuario debe poder controlar la máquina manualmente para la preparación previa a la impresión y durante el mantenimiento. Normalmente se compone de un display y una rueda o botones de mando, o puede que no sean necesarios estos botones si la pantalla es táctil. Estos componentes requieren de otra placa a parte, y a veces de su propio firmware, que se comunica con el de la CPU.

 

Software: 

El software es la programación. La parte escrita contenida en la memoria con las instrucciones para operar la máquina. En impresión 3D FDM tenemos estos en particular:

  • .gcode: este es un archivo que contiene las ordenes paso a paso que debe seguir la impresora para generar un objeto determinado. Se genera en un programa slicer, y el firmware las interpreta y las transforma en las señales hacia los componentes de la impresora. El formato estándar es .gcode, pero hay específicos de ciertas marcas que trabajan su propio software cerrado.
  • Firmware: Este es el programa cargado dentro de la CPU que interpreta el gcode y controla los componentes de la impresora y recibe la información de los sensores. Desde el firmware se puede controlar la impresora si hay una interfaz. Además puede tener otras funciones automáticas, sean de seguridad o de ayuda al usuario (como es el auto-level). También está configurado acorde a los parámetros de la impresora, y tiene las variables básicas ya definidas, como los mm por paso de cada motor, la aceleración del movimiento, las posiciones máximas en cada eje, las temperaturas de seguridad, las funciones de cada pin en la placa, etc…
  • Slicer: Este programa va a parte de la impresora. Pero se necesita para generar el gcode de cada objeto que se quiera imprimir con una configuración concreta. En este software se entran los múltiplos parámetros de la impresión, como es la temperatura del cabezal, la altura de capa, las velocidades para cada tipo de movimiento, el grosor de las paredes, la estructura interna de la pieza, etc…

 

Estructura

La estructura es la parte que mantiene todos los componentes en su sitio. Sobretodo los ejes. Esta parte es importante para evaluar la firmeza del movimiento, y si en el carro del extrusor o en la base les van a afectar inercias y vibraciones. Cuanto más firme la estructura, soportes, y guias, mejor. Pero también es necesario poner en valor la ligereza y el bajo coste (sobretodo si buscamos una impresora económica).

También incluimos como estructura cualquier carcasa que contenga partes electricas o mecanicas. La electrónica no siempre está cerrada, es común el los kits DIY que quede a la vista y desprotegida. Pero en otras impresoras debes tener en cuenta que debe estar cerrada y con refrigeración propia.

Otras carcasas pueden contener partes mecánicas como el extrusor o el cabezal. Algunos carros tienen todo a la vista, pero otros optan para contener en una carcasa los componentes.

La estructura marcará el volumen de impresión, pues la longitud de los ejes es lo que permite moverse al carro del cabezal. La ventaja de las impresoras FDM es que solo necesitas escalar los ejes, y la base en algunos casos, para tener un volumen de impresión más grande. La desventaja es que las impresiones grandes tardan mucho más.

 

Cámara cerrada

La cámara cerrada es algo un poco inusual en las impresoras domésticas o semi-profesionales. Pero es algo necesario para imprimir ciertos materiales que requieran de estabilidad en la temperatura ambiente y altas temperaturas en la cama. 

También es interesante que la cámara pueda ventilarse y así aislar los humos que desprenden ciertos plásticos.

 

Cableado

Hay distancia entre muchas partes que deben estar conectadas eléctricamente. Se requiere bastante cableado en una impresora 3D FDM, y es esencial que este no interfiera en el movimiento. Dependiendo de cómo esté hecha la estructura este punto puede ser un problema. Y hay gente que no le gusta nada que haya cables a la vista. Pero es usual que en los kits en las impresoras más económicas haya un poco de desorden en esta parte. 

Tambiénes importante fijarse por donde pasan, puesto que hay cables que se calientan. Hay soluciones diferente para dirigir su desarrollo:

  • Sueltos: Incluso en los kits, es mala idea tener los cables sueltos. Como mínimo recogelos y unelos con bridas, a la carcassa y entre ellos.
  • Malla: Dentro de una malla de tejido quedan bien recogidos, y es una solución económica. Suficiente si el desarrollo del cable no puede molestar a otras partes.
  • Tubo corrugado: similar al anterior, pero más rígido que la malla.
  • Espiral: Otro sistema que permite ponerlo y quitarlo una vez ya tienes el cableado conectado. Buena solución para los kits, con resultado similar al tubo corrugado.
  • Cadena: Dirige el desarrollo del cable y lo restringe a moverse en una sola dirección aunque esté en movimiento. Muy utilizado para el cableado hacia el carro del extrusor, pues evita que interfieran con la impresión, a la vez que quedan muy escondidos. Es la mejor solución, pero también la más cara.

Y fijate también cómo se mueven junto al carro o la base. Si hay roces o mordeduras a la larga puede ser un punto crítico de avería o de accidente grave.

 

Material

bobina materialFinalmente no nos podemos dejar lo primordial: el material para fundir y hacer los objetos. En los rangos de impresoras domésticas a profesionales lo común es que el material se utilice en forma de filamento enrollado en bobinas. Estas bobinas requieren un espacio en la impresora o cerca de ella y un soporte.

Es importante fijarse en el desarrollo del hilo a lo largo del recorrido hasta el cabezal. Ya que el hilo es un poco rígido y se puede romper o perder su estabilidad dimensional si queda forzado en algún punto. Una situación común en los sistemas directos es poner la bobina encima de la impresora. Pero es mejor que el peso de la bobina no caiga en la estructura de la impresora, si esta es un poco endeble.

 

Más contenido

Hemos visto la idea general de una impresora 3D y las funciones de sus componentes. Es el inicio de esta série de artículos: Todo lo que deberias saber sobre impresión 3D FDM.

 

 

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