Contracciones de piezas en impresión 3D y warping

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.

Durante la impresión, el plástico extruido a alta temperatura sufre una contracción en volumen debida al enfriamiento. En algunos materiales como el PLA esta contracción es muy baja (entre 0,3 % y 0,5 %), por lo que no suele ser problemática, sin embargo otros materiales como el nylon 12 pueden tener hasta un 2 % de contracción o en el caso del PVDF incluso hasta el 4 %, provocando importantes deformaciones en las piezas.

Tabla 1. Porcentaje de contracción de varios plásticos empleados en impresión 3D FFF. Fuente: SpecialChem.com

Esta contracción es porcentual respecto al tamaño de la pieza, por lo que se debe tener en cuenta que piezas muy grandes impresas en materiales de baja contracción pueden llegar a ser más problemáticas que piezas pequeñas de materiales con alta contracción. Es por esto que una pieza con una base de 20 x 20 cm fabricada en PLA puede tener más riesgo de fallo que una de 5 x 5 cm fabricada en ABS.

Cuando el enfriamiento de la pieza es muy rápido e irregular debido principalmente a una diferencia elevada entre la temperatura ambiente y la de impresión, la contracción de la pieza se produce de forma irregular provocando deformaciones en los extremos de la pieza. Este fenómeno se conoce como warping. El warping tiene dos consecuencias básicas:
Si la adherencia entre capas no es buena provoca la separación de las capas.
Si la adherencia a la base no es buena provoca que la pieza se levante.

Imagen 1: Explicación del fenómeno de warping. Fuente: rigid.ink

En cualquiera de las situaciones anteriores, la consecuencia es que la deformación de la pieza provocará que se levante o despegue, produciendo una colisión con el cabezal y haciendo fallar la impresión.

Compensar el efecto de la contracción de las piezas

La contracción de las piezas durante el enfriamiento es inevitable, sin embargo es posible evitar o minimizar el riesgo de fallo de varias formas:

• Evitar la contracción de la pieza durante el proceso de impresión.
  Se trata de la solución ideal, que garantizará la mayor calidad en las piezas y evitará deformaciones. Consiste en mantener la pieza a una temperatura igual o ligeramente superior a la Tg del material durante todo el proceso de impresión, lo que evitará que la pieza comience a contraerse durante el tiempo que dura la impresión. Una vez finalizada, se enfriará lentamente, consiguiendo una contracción de la pieza uniforme y sin deformaciones, a la vez que se evitan tensiones internas. Para esto es necesario disponer de una impresora con cámara calefactada capaz de alcanzar temperaturas adecuadas para cada material.

• Conseguir la suficiente adherencia en la base para evitar que la pieza se despegue al contraer.
  Cuando no se dispone de cámara calefactada, es posible reducir el riesgo de fallo aumentando la adherencia entre la primera capa y la base. Si esta unión es capaz de resistir las tensiones provocadas durante la contracción, la pieza no se despegará de la base y será posible finalizar la impresión con éxito. Cuanto mayor sea el tamaño de la pieza, mayor serán las tensiones y por tanto se necesitará una mayor adherencia. Es por esto que el riesgo de fallo aumenta con el tamaño de la pieza y muchas veces se dice que materiales propensos al warping sólo permiten hacer piezas pequeñas en impresoras sin cámara calefactada.

• Conseguir una buena unión entre capas.
  Si las fuerzas de unión entre la primera capa y la base son mayores de las existentes entre capas, puede aparecer un problema de separación de capas o delaminación.

Imagen 2: Efecto de separación de capas debido a la contracción durante el enfriamiento. Fuente Geeetech.com

Realmente el límite de tamaño a la hora de fabricar cualquier pieza en FFF dependerá de que la fuerza de unión entre la primera capa y la base y la fuerzas de cohesión entre capas sean capaces de compensar los esfuerzos de tracción, cizalladura, desgarro y pelado generados al contraerse la pieza en el enfriamiento.

La magnitud de estos esfuerzos va a depender de tres factores: el volumen de la pieza, el coeficiente de contracción del material y la temperatura ambiente de impresión.

Para reducir el riesgo de fallo será necesario aumentar en la medida de lo posible la adherencia de la pieza a la base y entre capas, y reducir los esfuerzos generados por la pieza.

A la hora de mejorar la adhesión de la pieza a la base se pueden seguir las siguientes estrategias:

• Mejorar la unión adhesiva: empleando soluciones adhesivas específicas para cada material y que permitan maximizar la fuerza de unión.

Imagen 3: Adhesivos específicos para impresión 3D. Fuente: magigoo.com

• Aumentar la extrusión de la primera capa: una mayor cantidad de material aplicado a más presión aumentará la superficie efectiva de contacto, mejorando la unión.
• Mantener la superficie limpia y libre de defectos: La presencia de polvo u otra suciedad reduce de manera crítica la adherencia de la pieza.
• Aumentar la superficie de contacto con la base: Aplicar un borde (Brim) a la pieza en las primeras capas aumentará la superficie de contacto con la base sin aumentar los esfuerzos de la pieza. Esto ayudará a aumentar también la fuerza de unión.
• Evitar esquinas y redondeos en las aristas en contacto con la base. Las esquinas son puntos de acumulación de tensiones y son las zonas por donde comenzará a despegarse la pieza. Los redondeos en aristas en contacto con la base reducen la superficie de contacto con la base y aumentan los esfuerzos en la pieza. Lo más recomendable es evitar este tipo de elementos en el diseño de la pieza, pero cuando no sea posible, aplicar un borde a las piezas minimizará sus efectos.

A la hora de reducir los esfuerzos de la pieza se pueden seguir las siguientes estrategias:

• Reducir el volumen de material en la pieza: esto se puede hacer optimizando el patrón de relleno. Para ello puede reducirse el porcentaje de relleno de la pieza y compensar la pérdida de propiedades empleando un mayor número de perímetros u optimizando la orientación del patrón.
• Usar materiales con bajo coeficiente de contracción: Se deberán buscar dentro de los materiales que cumplan los requerimientos técnicos de la pieza, aquellos con un menor coeficiente de contracción. Los materiales cargados con fibras o partículas generalmente presentan coeficientes de contracción menores y en muchos casos ofrecen propiedades mecánicas superiores, lo que también ayuda a poder reducir la densidad de relleno sin perder propiedades.
• Aumentar la temperatura ambiente de impresión: Las impresoras cerradas o con cámara pasiva, a pesar de no alcanzar temperaturas tan elevadas como las impresoras con cámara calefactada activa, permiten en muchos casos mantener temperaturas estables de entre 50 y 70 ºC gracias al calor irradiado por la base de impresión. Una estrategia habitual es calentar la base y mantenerla durante 10 -15 minutos antes de iniciar la impresión.

A la hora de mejorar la unión entre capas se pueden seguir las siguientes estrategias:

• Reducir la altura de capa: una menor altura de capa implica una mejor cohesión entre capas.
• Aumentar la temperatura y reducir la velocidad del ventilador de capa: Una mayor temperatura y un enfriamiento más lento proporcionarán también una mejor unión de capas.
• Aumentar el flujo: Esta opción no es recomendable, ya que modificará las dimensiones y tolerancias de las piezas. Sin embargo, un mayor flujo tiene un efecto similar al obtenido al reducir la altura de capa, pero sin incrementar los tiempos de impresión.

Cómo determinar el volumen máximo de impresión para cada material

Es posible determinar el volumen o tamaño máximo seguro a la hora de fabricar piezas con un determinado material en nuestra impresora. Para ello debemos seguir los siguientes pasos previos:

• Preparar un perfil de impresión adecuado. El tamaño máximo de pieza estará vinculado a este perfil concreto. En caso de realizar una variante de este perfil, se deberá determinar de nuevo el volumen máximo siempre que se modifique alguno de los siguientes parámetros:
• Temperatura de impresión
• Temperatura de base
• Altura de la primera capa
• Altura de capa
• Flujo de extrusión
• Velocidad de la primera capa
• Patrón de relleno
• Densidad de relleno
• Número de perímetros
• Buscar la mejor superficie de adherencia que tengamos disponible. Es recomendable emplear recubrimientos líquidos optimizados para el material de impresión que se vaya a utilizar, y aplicarlos de nuevo antes de cada impresión.
• Asegurarse de que las condiciones de temperatura y humedad de la sala donde está ubicada la impresora son constantes.

Una vez realizados estos pasos previos será necesario hacer pruebas iterativas hasta encontrar el tamaño máximo. Para ello se empleará un cubo con las aristas paralelas al eje Z redondeadas y un tamaño de aproximadamente la mitad de la base de impresión.

Siguiendo este esquema es posible determinar el tamaño máximo seguro de impresión para una combinación de material y perfil determinados en una impresora concreta.

Una vez determinado el volumen máximo seguro, cualquier pieza contenida dentro de ese volumen, debería poder fabricarse sin apenas riesgo de fallo.

Para tener un margen de seguridad, es recomendable activar en el perfil de impresión la opción de borde cuando se impriman piezas de tamaño máximo ( no se deberá usar esta función durante la determinación iterativa del tamaño máximo).