Resumen:La fabricación de filamentos fundidos (FFF) es un proceso de fabricación aditiva (AM) que construye objetos tridimensionales mediante el depósito selectivo de material termoplástico fundido capa por capa.Esta guía ofrece un examen detallado de la tecnología FFF, que abarca sus principios fundamentales, variaciones de proceso, consideraciones de diseño, materiales, técnicas de posprocesamiento y diversas aplicaciones.Sirve de referencia para los ingenieros., diseñadores y fabricantes que buscan comprender y utilizar esta tecnología de fabricación ampliamente accesible.
1Introducción a la fabricación de filamentos fundidos
Fabricación de filamentos fundidos (FFF),También conocido como Modelado de Deposición Fusionada (FDM) un término registrado por Stratasys es una de las tecnologías de fabricación aditiva más comunes y accesibles hoy en díaEl principio básico de la FFF consiste en calentar un filamento termoplástico hasta su punto de fusión y extruirlo a través de una boquilla en un patrón controlado, construyendo la capa del objeto sobre la capa.Esta tecnología pertenece a la categoría más amplia de fabricación aditiva por extrusión de materiales., según lo definido por ASTM International.
La historia de la FFF está entrelazada con la FDM, que fue inventada y patentada por el Dr. S. Scott Crump a finales de la década de 1980.Tras la expiración de las patentes clave y el auge del proyecto de código abierto RepRap (Replicating Rapid Prototyper), la tecnología se hizo ampliamente disponible para el público, lo que llevó a la adopción del término no patentado "Fabricación de filamentos fundidos" o su sinónimo, "Fabricación de filamentos fundidos (FFF) ".Esta democratización ha impulsado la innovación y ha hecho de la FFF uno de los métodos de impresión 3D más populares y de bajo costo para aficionados y profesionales.
El FFF se distingue por su simplicidad de funcionamiento, amplia selección de materiales y rentabilidad para la creación de prototipos y la producción de bajo volumen.Para comprender todo su potencial se requiere una inmersión profunda en su mecánica de procesos, las limitaciones de diseño, y los avances en curso que continúan expandiendo sus capacidades.
2Proceso de FFF: Desglose paso a paso
El proceso de FFF se puede dividir sistemáticamente en tres etapas principales: preprocesamiento, impresión y posprocesamiento.
2.1Preprocesamiento (preparación digital)
Esta etapa consiste en preparar el modelo digital para su impresión. Comienza con la creación de un modelo 3D típicamente en formato de archivo STL u OBJ,que representa la geometría exterior del objeto utilizando una malla de triángulosEste modelo es importado en el software de corte, el cual corta el modelo 3D en capas horizontales delgadas (normalmente de 0,05 a 0,3 mm de espesor) y genera el código G.un conjunto de instrucciones que dictan los movimientos de la impresora, incluidas las rutas de herramientas tanto para el modelo como para las estructuras de soporte necesarias, las temperaturas de impresión y las velocidades de impresión.
2.2Impresión (proceso de fabricación)
El proceso de impresión real sigue con precisión las instrucciones del código G:
Alimentación de filamentos: Un filamento termoplástico sólido, típicamente enrollado en un carrete, se alimenta en el conjunto de extrusores de la impresora mediante un mecanismo de engranaje de accionamiento.
Calentamiento y fusión: El filamento pasa a una boquilla calentada (o licuador), donde se calienta hasta un estado semi-líquido, justo por encima de su temperatura de transición de vidrio.
Extrusión y deposición: el material fundido se fuerza a través de una boquilla fina (diámetros que generalmente oscilan entre 0,2 y 0.8 mm) y se depositan en la plataforma de construcción a lo largo de la trayectoria de herramientas definida para la capa actual.
Consolidación de la capa: el material extrudido se fusiona con la capa previamente depositada al contacto, solidificándose a través del enfriamiento.La plataforma de construcción luego baja (o la cabeza de impresión se eleva) por una capa de altura, y el proceso se repite hasta que el objeto esté completo.
2.3. Posprocesamiento
Después de la impresión, pueden requerirse varios pasos:
Eliminación del soporte: para modelos con sobresaltos o geometrías complejas, las estructuras de soporte se imprimen simultáneamente utilizando un material separado, a menudo soluble en agua o que se rompe.Estos deben retirarse manualmente o disolverse en una solución una vez que se haya completado la impresión..
Terminado de superficie: las piezas pueden ser sometidas a acabados para mejorar su estética o función.o el alisado químico con vapores para reducir la visibilidad de las líneas de capas.
3Consideraciones de diseño crítico para el FFF
El diseño de piezas para FFF requiere una comprensión de las capacidades y limitaciones del proceso para garantizar la imprentabilidad y la funcionalidad.
Altura de la capa: determina la resolución vertical de la impresión.
Orientación: La orientación de la pieza en la placa de construcción afecta críticamente su resistencia, calidad de la superficie y la necesidad de soportes.generalmente son más fuertes a lo largo de la dirección de deposición de la capa (plano X-Y) y más débiles en la dirección vertical (Z) debido a que el enlace entre capas es un punto de falla potencial.
Estructuras de soporte: las características que sobresalen más allá de un cierto ángulo (generalmente 45 grados o más) requieren soportes.Diseñar para minimizar los sobresaltos o incorporar ángulos autoportantes puede reducir el uso de materiales y mejorar la eficiencia del postprocesamiento.
Paredes y relleno: Los perímetros exteriores (paredes) definen la cáscara de la parte, mientras que el patrón de relleno interno (por ejemplo, cuadrícula, panal de miel) proporciona la estructura interna.La densidad de relleno (porcentaje de material sólido dentro de la pieza) se puede ajustar para equilibrar la resistencia, peso, uso de materiales y tiempo de impresión.
Puente: FFF puede imprimir tramos entre dos soportes verticales sin material subyacente, una técnica conocida como puente.
Tolerancias y precisión dimensional: Los diseñadores deben tener en cuenta la contracción del material, especialmente con materiales como el ABS, que puede conducir a inexactitudes dimensionales y deformación.Las características como los agujeros y los pines pueden necesitar ser ajustados en el modelo digital para lograr las dimensiones finales deseadas.
4Materiales para el FFF
La selección de materiales para el FFF es amplia y gira principalmente en torno a los termoplásticos debido a su capacidad para fundirse y solidificarse repetidamente.
4.1. Filamentos comunes
Ácido poliláctico (PLA): un termoplástico biodegradable derivado de recursos renovables como el almidón de maíz. Es popular por su facilidad de uso, baja deformación y amplia disponibilidad de color,pero tiene menor resistencia y resistencia al calor en comparación con otros plásticos de ingeniería.
Estireno de acrilonitrilo butadieno (ABS): Conocido por su buena resistencia, durabilidad y resistencia al calor.Es más difícil de imprimir que el PLA debido a la contracción y deformación significativas si no se imprime en una cámara caliente.
Polyamida (Nylón): Es muy apreciada por su alta resistencia, durabilidad, flexibilidad y resistencia a la abrasión.
Policarbonato (PC): Un plástico de ingeniería con una resistencia muy alta y resistencia al calor, pero requiere altas temperaturas de impresión y una cámara cerrada para evitar la deformación.
Poliéter éter cetona (PEEK): un súper polímero de alto rendimiento con propiedades mecánicas excepcionales y estabilidad térmica, utilizado en aplicaciones aeroespaciales y médicas exigentes.
4.2. Materiales de apoyo
Soportes de separación: generalmente hechos del mismo material base que el modelo, pero impresos con un patrón menos denso para facilitar su eliminación.
Soportes solubles en agua: Materiales como el alcohol polivinílico (PVA) se disuelven en agua, lo que los hace ideales para geometrías internas complejas donde es imposible la eliminación manual.
| El material | Propiedades clave | Dificultad para imprimir | Aplicaciones comunes |
| Producción de PLA | Fácil de imprimir, baja curvatura, biodegradable, quebradizo | Es fácil. | Prototipos, modelos educativos, piezas no funcionales |
| El ABS | Duro, resistente al calor, propenso a la deformación | Mediano | Prototipos funcionales, carcasas, piezas de automóviles |
| El PETG | Fuerte, duradero, buena resistencia química y a la humedad | De fácil a mediano | Botellas de agua, piezas mecánicas, recipientes seguros para alimentos |
| Las demás fibras | Fuerte, flexible, resistente a la abrasión, higroscópico | Medio a duro | Las demás máquinas y aparatos |
| TPU/TPE | Flexibles, elásticos y resistentes a los impactos | Mediano | Las demás máquinas y aparatos para la fabricación o el almacenamiento de productos del capítulo 85 |
5Ventajas y limitaciones del FFF
5.1Ventajas
Costo-efectividad: las impresoras FFF, en particular los modelos de escritorio, tienen un bajo coste de entrada y los costes de material son relativamente bajos en comparación con otras tecnologías de AM.
Variedad de materiales: Hay una amplia gama de materiales termoplásticos disponibles, incluidos los compuestos con fibra de carbono, madera o partículas metálicas para propiedades especializadas.
Facilidad de uso y seguridad: El proceso es limpio y no involucra láseres de alta potencia ni productos químicos tóxicos, por lo que es adecuado para entornos de oficina y hogar.
Prototipado rápido: permite la iteración y visualización rápidas de los conceptos de diseño.
5.2Las limitaciones
Propiedades mecánicas anisotrópicas: las piezas son inherentemente más débiles entre capas (eje Z) que dentro de una capa (plano X-Y).
Líneas de capas: Las líneas de capas visibles dan como resultado un efecto de "escalera" en superficies curvas, lo que puede afectar la estética y requiere un posprocesamiento para suavizar.
Resolución y precisión más bajas: FFF generalmente tiene una precisión dimensional y una resolución de características más bajas en comparación con tecnologías como la estereolitografía (SLA) o la sinterización selectiva con láser (SLS).
Velocidades de construcción lentas: La deposición puntual del material hace que el FFF sea más lento que algunos otros procesos de fabricación automática para piezas grandes y sólidas.
Necesidad de estructuras de soporte: Esto aumenta el desperdicio de material, aumenta el tiempo de impresión y requiere mano de obra adicional después del procesamiento.
6Aplicaciones de la tecnología FFF
La versatilidad del FFF permite su uso en una multitud de industrias.
Prototipado rápido: La aplicación más tradicional, que permite a los diseñadores e ingenieros crear modelos físicos para pruebas de forma, ajuste y función de forma rápida y económica.
Auxilios para la fabricación: el FFF se utiliza para producir piezas, accesorios y herramientas personalizadas para líneas de ensamblaje, lo que puede reducir los tiempos y costos de producción.
Educación: su bajo coste y simplicidad operativa hacen de la FFF una excelente herramienta para la educación STEM, fomentando la creatividad y el aprendizaje práctico en diseño e ingeniería.
Medicina y odontología: Las aplicaciones incluyen modelos anatómicos para la planificación quirúrgica, prótesis personalizadas y dispositivos de asistencia.
Partes de uso final: con materiales de alto rendimiento y parámetros de impresión optimizados, el FFF se utiliza cada vez más para la fabricación de productos finales de bajo volumen, especialmente en la industria aeroespacial, automotriz,y de bienes de consumo.
