Temperaturas de impresión 3D y optimización

Nota: En esta guía se tratan los conceptos de forma general y sin enfocarse en una marca o modelo concreto, aunque se puedan mencionar en algún momento. Pueden existir diferencias importantes en los procedimientos de calibración o ajuste entre diferentes marcas y modelos, por lo que se recomienda consultar el manual del fabricante antes de leer esta guía.

La temperatura de impresión de un determinado filamento no sólo depende del tipo de material, sino también de las condiciones de impresión. La velocidad de impresión, el diámetro del nozzle, el tipo de extrusor o la distancia entre éste y el hotend, afectan considerablemente a la temperatura óptima de impresión. Es por esto que los fabricantes suelen facilitar un rango de temperaturas, en lugar de una temperatura concreta.

La temperatura de impresión adecuada

Es un concepto erróneo hablar de la temperatura óptima de impresión para un determinado filamento. Dentro del rango de temperaturas que tolera un determinado material, existirán distintas temperaturas óptimas en función de los requerimientos finales de la pieza. Por ejemplo, la temperatura óptima para obtener el mejor acabado de la pieza, puede no ser la óptima para obtener la máxima resistencia mecánica. Es por esto que para determinar nuestra temperatura óptima de impresión para un determinado material, es necesario tener claro qué propiedades finales requiere la pieza.

Cómo determinar la temperatura óptima

A la hora de determinar la temperatura óptima de impresión, lo primero es definir la prioridad de la pieza final: Acabado estético o funcionalidad mecánica

Para determinar la temperatura óptima priorizando calidad de acabado, es necesario imprimir un modelo que incluya al menos un puente y un voladizo a distintas temperaturas y determinar la temperatura que proporciona mejor acabado. Existen múltiples ejemplos de modelos en repositorios de internet, en general denominados cómo torre de calibración de temperaturas.

Imagen 1: Ejemplo de torre de temperatura que incluye puentes, voladizos y pequeños detalles. Fuente: Thingiverse.com

A la hora de escoger las temperaturas, se deberá consultar el rango de temperaturas de impresión recomendado por el fabricante. Lo ideal es evaluar todo el rango de temperaturas a intervalos de 5 ºC o 10 ºC. Además se recomienda evaluar también 10 grados por encima y por debajo del rango, debido a las diferencias que puede haber entre las impresoras del fabricante y del usuario.
Por ejemplo, si para un determinado material el fabricante especifica un intervalo de temperaturas de impresión entre 220 ºC y 250 ºC, se deberán evaluar las siguientes temperaturas: 210 ºC, 220 ºC, 230 ºC, 240 ºC, 250 ºC y 260 ºC.

Una vez impresas las muestras, se deberá valorar cual proporciona una mejor calidad y acabado, prestando atención a los siguientes aspectos:

• Que no aparezcan descuelgues en los puentes y voladizos.
• Que los pequeños detalles se vean nítidos
• Que no aparezca curling o levantamientos en las esquinas superiores de la pieza. Para distinguir el curling del warping, se debe tener en cuenta que en el caso del warping, el levantamiento de las esquinas es mayor en la base y disminuye con la altura, mientras que en el curling es al contrario: prácticamente nulo en la base y muy pronunciado en la parte superior de la pieza.
• Que los hilos sean mínimos. Se debe tener en cuenta que incluso a la temperatura óptima pueden aparecer hilos si la configuración de retracción no es adecuada.

Imagen 2: Fenómeno de curling o levantamiento de esquinas producido por un exceso de temperatura o un mal funcionamiento del ventilador de capa. Fuente: Simplify3D.com

Cuando la prioridad sea optimizar el comportamiento mecánico de la pieza, se debe tratar de conseguir la máxima adhesión entre capas. Para ello es necesario imprimir probetas estandarizadas a diferentes temperaturas (al igual que en el caso anterior) y ensayarlas. Generalmente mayor temperatura producirá mejor adhesión entre capas, por lo que si no es posible ensayar las probetas, es recomendable trabajar en el límite superior del rango proporcionado por el fabricante.

En impresoras correctamente calibradas, generalmente las temperaturas más bajas del intervalo facilitado por el fabricante producirán una mejor acabado de las piezas, a costa de una cohesión menor entre capas. Las temperaturas más elevadas garantizarán una óptima adherencia entre capas aunque también proporcionarán un peor acabado, especialmente en puentes y voladizos.

Muchos materiales presentarán además un punto dulce, es decir, una temperatura a la cual las propiedades mecánicas y el acabado superficial sean casi óptimos. Para determinar esta temperatura es necesario realizar los dos ensayos anteriores y comprobar si existe alguna temperatura común en la cual las propiedades mecánicas estén próximas al valor máximo y el acabado superficial sea bueno.

Efecto de la temperatura en el color y el acabado

La temperatura de impresión, además de a la calidad estética y mecánica de la pieza, también afecta al acabado de esta. Tanto el color como el acabado de la pieza pueden variar en función de la temperatura de impresión. Mayores temperaturas producirán un mayor brillo en la superficie de las piezas, mientras que las temperaturas más bajas producirán acabados mates o satinados. El mayor o menor brillo de la pieza hará que también varíe la percepción del color.

Principales problemas derivados de una temperatura inadecuada

Como se comentó anteriormente, los materiales no poseen una temperatura adecuada de impresión, sino de un rango de temperaturas dentro del cual el material puede ser impreso dando lugar a piezas con diferentes propiedades. Sin embargo, cuando la temperatura está fuera de este rango, empiezan a aparecer problemas que pueden provocar fallos de impresión. Es necesario distinguir entre problemas provocados por un exceso de temperatura o por un déficit.

Problemas derivados de una temperatura de impresión excesiva

• Descuelgues en voladizos y puentes: Un exceso de temperatura provocará que el plástico no se enfríe suficientemente rápido, por lo que colapsará por su peso y producirá descuelgues en los voladizos y puentes. Se debe tener en cuenta que esto se puede producir también por un rendimiento deficiente del ventilador de capa en materiales como el PLA o PETg.
• Curling o levantamiento de esquinas: Se trata de un fenómeno que consiste en un levantamiento de las esquinas de la pieza debido a la contracción del material durante el enfriamiento. Este efecto es más pronunciado en las capas superiores debido a la acumulación de temperatura debida a un enfriamiento inadecuado de las capas anteriores.
• Falta de detalle en elementos pequeños y aristas: Un enfriamiento demasiado lento provocará que los pequeños elementos pierdan su forma, ya sea por la propia fluencia del plástico o por la fricción del cabezal y las vibraciones.

Imagen 3: Falta de detalle en un vértice por un exceso de temperatura. Fuente: simplify3d.com

• Aparición de hilos (stringing): En determinados materiales, como el PLA y el PETg, una temperatura excesiva provocará la aparición de hilos en los desplazamientos del hotend. Este fenómeno no sólo depende de la temperatura, sino también de la configuración de retracción y del rendimiento térmico del hotend, por lo que un exceso de temperatura puede provocar la aparición de hilos, pero no siempre la aparición de hilos implica un exceso de temperatura.
• Soportes difíciles de extraer (en el mismo material): Si la temperatura es excesivamente alta, la adherencia entre la pieza y los soportes puede ser tan alta que sea imposible retirarlos sin usar herramientas de corte. Esto únicamente se produce en el caso de usar el mismo material para la pieza y los soportes.
• Extrusión inconsistente: Una mayor temperatura implica también una menor viscosidad del material. Si la temperatura es demasiado elevada en algunos materiales puede provocar que la viscosidad sea tan baja que provoque que la extrusión no sea uniforme.
• Fluencia por calor en la zona fría del hotend (Heat Creep): Determinados materiales como el PLA pueden empezar a fluidificar a temperaturas tan bajas como 45 ºC. Una temperatura demasiado alta en la zona caliente del hotend puede hacer que la temperatura en la zona fría sea lo suficientemente alta cómo para reblandecer el filamento, provocando atascos. Este fenómeno se conoce cómo Heat Creep o fluencia por calor. Suele producirse por un rendimiento térmico del hotend inadecuado, agravado por el uso de temperaturas de impresión excesivamente altas.

Problemas derivados de una temperatura demasiado baja:

• Falta de extrusión y atascos: Una temperatura excesivamente baja puede hacer que el plástico no fluidifique correctamente, provocando una falta de extrusión y en ocasiones atascos.
• Baja adherencia entre capas: Para que se produzca una buena adherencia entre capas, la temperatura del material debe ser lo suficientemente alta como para que se funda parcialmente la interfaz con la capa anterior. Temperaturas demasiado bajas provocarán una baja adherencia entre capas que puede provocar delaminación o separación de capas al contraer.

Imagen 4: Separación de capas. Fuente: simplify.com

• Mala unión entre relleno y perímetro o huecos en la costura: En general, para evitar acumulación de material al final de una extrusión, los software de laminado configuran una retracción o una distancia de rodaje (dejan de extruir un poco antes de llegar al final del movimiento). Una temperatura de impresión demasiado baja puede provocar que no se aporte material suficiente para finalizar la extrusión provocando huecos entre el perímetro y el relleno, o en la zona de cierre del perímetro.