10.1: Material
Extrusion
Aunque no fue la primera tecnología
de fabricación aditiva, la extrusión de materiales es de largo la más conocida
y extendida. Entre los aficionados e impresoras de sobremesa, esta tecnología
supone probablemente más del 90% del mercado. Es también la más usada en el
entorno profesional, con el 36% de uso en la industria según el informe de
Sculpteo, The state of 3D printing 2017.
La denominación de tecnología como
FDM (Fused Deposition Modeling) es copyright de la compañía Stratasys,
por lo que se usa normalmente el término FFF (Fused Filament Fabrication)
para referirnos a la técnica de fabricación en la que se usa un filamento de
plástico que, convenientemente controlado, se lleva a través de un extrusor que
lo calienta y lo deposita poco a poco hasta construir el objeto.
Figura 79: Esquema
general de una impresora de extrusión de material.
En el diagrama podemos ver el
funcionamiento general de esta tecnología: Por un lado, un motor paso a paso
empuja el filamento desde la bobina hasta que sale por la boquilla de un
extrusor. En este extrusor se calienta el material para fundirlo y ser
depositado en muy pequeñas cantidades a través de la boquilla del extrusor. El
extrusor tiene a su vez capacidad de moverse en todas las direcciones, x e y
para depositar una capa de material sobre la plataforma. Una vez que se ha
impreso la primera capa, la plataforma se mueve ligeramente hacia abajo para
imprimir la siguiente capa sobre ella. Normalmente además la impresora suele
incluir tubos de guía y engranajes para asegurar el correcto movimiento del
filamento durante todo el proceso de impresión.
La precisión de la impresora y por
tanto la calidad del producto fabricado dependerá de múltiples factores, como
son la precisión del motor para que salga la cantidad exacta de material
necesario en cada fracción de giro, la altura de cada capa (determinada por el
movimiento vertical de la plataforma o del extrusor), el ancho de la boquilla
del extrusor (cuanto más pequeño, más preciso y suave será el terminado) y la
precisión en el movimiento del extrusor.
Con el límite de la capacidad física
del hardware utilizado, en esta tecnología todos esos factores son normalmente
ajustables mediante el software controlador de la impresora, dando al usuario
una gran variedad de opciones para imprimir con más o menos calidad, en más o
menos tiempo.
En otros formatos la plataforma es
fija y es el extrusor el que se mueve en las tres dimensiones, pero por lo
demás el funcionamiento es exactamente el mismo.
Figura 80:
Impresora FFF de plataforma fija.
La tecnología de extrusión de
materiales está afectada por el problema de no poder poner una capa “en el
aire”, por lo que siempre necesita la impresión de soportes y la consiguiente
fase de post-proceso eliminándolos.
Una característica del objeto así
obtenido es que todo el objeto es fabricado con el mismo material y color.
Puede, no obstante, jugarse con las órdenes de impresión para cambiar el
filamento en un momento determinado y obtener así capas de distinto material,
pero no deja de ser un procedimiento bastante manual.
Por ello, una mejora bastante típica
en las impresoras FFF es la aparición de un segundo extrusor, que puede tener
dos propósitos: por un lado, permite la fabricación de objetos en varios
colores al mismo tiempo. Por otro, permite imprimir los soportes en un material
distinto de la pieza principal, lo que tiene una gran ventaja: si se imprimen
los soportes con un material soluble en agua u otro líquido, pueden eliminarse
los soportes muy fácilmente sin más que bañar el objeto en un disolvente, sin
dejar además feas marcas en la superficie.
Figura 81: Impresión
con varios extrusores
Otras mejoras que están también
apareciendo últimamente es la capacidad de añadir distintos colores combinando
la tradicional tecnología de inyección de tinta con la FFF: simplemente se
añade al extrusor la posibilidad de ir tintando al material en distintos tonos
según nos convenga en el momento de fundirse.
Veamos el detalle de cómo funciona un
extrusor típico:
Figura 82: Detalle
de un extrusor típico.
El filamento es conducido hasta el
extrusor por medio de un tubo guía flexible que permite el movimiento correcto
del mismo. Una vez dentro, el filamento llega hasta un elemento calefactor (hot-end)
que le calienta hasta la temperatura de fusión. El final del extrusor es una
fina boquilla que guía el material ya derretido (el filamento extruido) hasta
su deposición en la plataforma o en la capa anterior del objeto a fabricar.
Mantener la temperatura perfecta para la correcta deposición de material es
fundamental; por ello el extrusor cuenta con un sensor de temperatura en la
zona de calentamiento que controla el elemento calefactor. Asimismo, un
correcto equilibrio entre la zona de calentamiento y la zona de disipación
térmica asegura que el filamento únicamente se funde en el momento exacto (esto
es, dentro de la boquilla) y no antes, lo que provocaría atascos y problemas en
el movimiento controlado paso a paso del filamento. Los radiadores –disipadores
de calor- del comienzo del extrusor mantienen el filamento correctamente en
estado sólido hasta su paso por el hot-end.
La boquilla de salida es simplemente
un fino cono a donde va llegando el material fusionado, manteniéndolo caliente,
y saliendo por su parte más estrecha final. Como decíamos anteriormente, la
calidad de impresión vendrá dada (entre otros factores) por el ancho de esta
boquilla. Las medidas más típicas están entre 0,3 y 0,8 mm., de mayor a menor
precisión.
Figura 83: Una
impresora FFF en funcionamiento. Foto: © Germán Martín
Los filamentos son de polímeros
plásticos, estandarizados en dos anchos, filamentos de 1.75 mm y de 3 mm de
diámetro, típicamente de 1Kg de material.
Hay muchos materiales plásticos
empleados en esta tecnología, pero los más populares (y baratos) son PLA y ABS.
Ambos son termoplásticos, esto es plásticos que alcanzan fácilmente un estado
moldeable al ser calentados y vuelven a un estado sólido adecuado al enfriarse.
El ABS (siglas de Acrylonitrile
Butadiene Styrene) es conocido por ser el que encontramos en las famosas
piezas de LEGO y en muchas aplicaciones industriales.
Figura 84: Bobinas
de PLA
(Foto: © Germán Martín)
La temperatura de fusión del PLA
(siglas de PolyLactic Acid) (aprox. 200º) es inferior al ABS (alrededor
de 240º-250º) por lo que es menos sensible al warping (problema
explicado más adelante) y más usado como “nivel de entrada” para impresoras de
usuarios en el mercado doméstico. Es por tanto mucho más usado por los
aficionados que por la industria, donde es mucho menos popular.
Tanto PLA como ABS son materiales muy
baratos, de un precio similar entre ellos, mientras que los materiales de gama
alta empleados en la gama industrial son mucho más precisos pero también más
caros; se trata de termoplásticos como PEEK o PEI.
El ABS se puede mecanizar mejor que
el PLA y su acabado es mejor; esto, unido a su mayor resistencia, hace que sea
más usado en aplicaciones industriales. Además de las más conocidas piezas de
LEGO, es también el material empleado en carcasas de aparatos eléctricos y
similares. Puede usarse acetona en la fase de post-producción para un mejor
terminado de la pieza en ABS.
Figura 85: Detalle
del filamento de PLA (Foto: Germán Martín)
EL PLA, al tener un punto de fusión
más bajo es más fácil de utilizar, y tiene más opciones de colores disponibles
y en general más vivos que el ABS. Además, no emite gases nocivos, y -bajo las
condiciones adecuadas- es biodegradable, al estar hecho de derivados del maíz.
Tiene un olor agradable, y al no ser tóxico generalmente se puede usar en
aplicaciones alimentarias. Como desventaja, el PLA es menos resistente al calor
y su mecanizado es peor.
Por contra, el ABS al alcanzar el
punto de fusión desprende gases que en muy alta concentración podrían llegar a
ser nocivos, por lo que se recomienda siempre emplearlo en espacios ventilados
o que sean lo suficientemente grandes. Sin embargo, han aparecido recicladoras
de ABS, máquinas en las que se pone el material sobrante para que la máquina
nos haga bobinas de filamento nuevas, cosa que aún no existe para el PLA.
La gran popularidad de la impresión
por extrusión de materiales viene dada por su bajo coste, por lo que la inmensa
mayoría de las impresoras de sobremesa son de esta tecnología.
Uno de los problemas que tiene es el
conocido como warping. Se trata este de un fenómeno derivado de la diferente
temperatura que tienen diferentes partes del objeto que está siendo impreso: el
material sale del extrusor a alta temperatura (más de 200º) y -especialmente en
las primeras capas- se encuentra con la plataforma o capas anteriores a una
temperatura muy inferior, creando una fuerza contractiva. Así, el centro del
objeto hace fuerza sobre los extremos, provocando que éstos se levanten y la
superficie se doble ligeramente. Este es un fenómeno más común imprimiendo en
ABS que en PLA (por la mayor temperatura del extrusor), y para prevenirlo en
muchas ocasiones se emplea una plataforma calefactada (a 60, 80 e incluso a
100º). Aun así, este fenómeno de dilatación y compresión hace que la impresión
por extrusión de materiales sea poco fiable en cuanto a dimensiones exactas.
Además, la extrusión de materiales,
debido al alto número de parámetros (temperatura del extrusor y de la
plataforma, altura de la capa, limpieza del extrusor, etc...) que influyen en
los resultados, es una tecnología con una baja repetibilidad, lo que la hace
apta para prototipado rápido y su uso a nivel amateur, pero poco utilizada en
trabajos industriales que requieran alto nivel de precisión.
Una tecnología de extrusión de
materiales de propósito general es la Syringe extrusion (literalmente,
extrusión de jeringuilla), que se emplea con cualquier tipo de material con tal
de que se encuentre en formato cremoso o viscoso.
Figura 86: Esquema
del funcionamiento de Syringe Extrusion.
Su funcionamiento es muy sencillo: en
lugar de un extrusor que caliente el filamento hasta la boquilla, en su lugar
tenemos una jeringa motorizada que se ocupa de hacer llegar el material a
imprimir en estado sólido hasta la boquilla. Hay múltiples variantes de este
esquema general, con depósitos y conducciones antes o después, pero el
funcionamiento es igual en todos los casos: el objetivo es hacer llegar un
material en estado viscoso hasta la boquilla, manteniendo una cierta presión
para asegurar el correcto flujo del mismo. Lógicamente, la boquilla tiene que
estar contenida en alguna estructura que le permita el movimiento en el plano
para poder ir creando cada capa de material. En definitiva, esta tecnología sí
podemos realmente considerarla como la “manga pastelera de alta precisión”. Se
trata por tanto de una solución genérica que es válida para la impresión de
casi cualquier cosa, por lo que es la técnica empleada en impresión de tejidos
biológicos, impresión de comida, etc...
Figura 87: La
elaboración de galletas podría automatizarse mediante syringe extrusion.