Impresoras 3D: Que son y como funciona

Este será el primer post de esta nueva categoría, por lo que comenzare con lo más básico. El objetivo de estos posts es, dar a conocer a la comunidad cubana de aficionados a la creación de impresoras 3D y sumar más entusiastas a la comunidad. Este post es una recopilación bibliográfica de varias publicaciones. Empecemos:

¿Qué es una Impresora 3D?

Una impresora 3D es una máquina capaz de imprimir figuras con volumen a partir de un diseño hecho por ordenador. Surgen con la idea de convertir archivos de 1 dimensión en prototipos reales o 3D. Una impresora 3D lo que realmente hace es producir un diseño 3D creado con el ordenador en un modelo 3D físico (real). Es decir, si hemos diseñado en nuestro ordenador, por ejemplo, una simple taza de café por medio de cualquier programa CAD (Diseño Asistido por Computador), podremos imprimirla en la realidad por medio de la impresora 3D y obtener un producto físico que sería la propia taza de café. Para llegar a esto utilizan plástico líquido (u otros materiales) en vez de la tinta a la que estamos acostumbrados, que tras la impresión se solidifica y crea el objeto. En la actualidad son utilizados para la matricería o la prefabricación de piezas o componentes, en sectores como la arquitectura y el diseño industrial. Resulta más común el de las prótesis médicas, donde son ideales, dada la facilidad para adaptar cada pieza fabricada a las características exactas de cada paciente.

Breve historia de la impresora 3D.

El inicio de la impresión 3D se remonta a 1976, cuando se inventó la impresora de inyección de tinta. En 1984, algunas adaptaciones y avances sobre el concepto de la inyección de tinta transformaron la tecnología de impresión con tinta a impresión con materiales. A lo largo de las últimas décadas, ha habido una gran variedad de aplicaciones de la tecnología de impresión 3D que se han desarrollado a través de varias industrias. Charles Hull, más tarde, el co-fundador de 3D Systems, inventa la estereolitografía, un proceso de impresión que permite que un Objeto en 3D se cree a partir de datos digitales. Se utiliza la tecnología para crear un modelo 3D a partir de una imagen y permite que los usuarios prueben un diseño antes de que este invierta en la fabricación del modelo definitivo.

¿Cómo Funciona una Impresora 3D?

Las impresoras 3D utilizan múltiples tecnologías de fabricación e intentaremos explicar de forma sencilla cómo funcionan. Las impresoras 3D lo que hacen es crear un objeto con sus 3 dimensiones y esto lo consigue construyendo capas sucesivamente hasta conseguir el objeto deseado.

En la imagen anterior vemos 3 figuras. La primera es el boceto en un papel, por ejemplo, del objeto que queremos imprimir en sus 3 dimensiones, después, con un programa de CAD diseñamos ese objeto en nuestro ordenador que sería la segunda figura, y por último separamos ese objeto en capas para ir imprimiendo capa por capa en la impresora de 3 dimensiones, que es lo que vemos en la tercera figura. Es decir, de un boceto en papel podemos conseguir un objeto en la realidad con el material adecuado.

El proceso que utilizan estas impresoras para crear el objeto por capas se llama «proceso aditivo«. Para que se entienda mejor, veamos uno de los procesos más usados, la estereolitografía: la impresora crea una fina capa de resina y “dibuja” una pequeña sección plana del objeto con un rayo láser. Ese láser solidifica el patrón que trazó, y lo pega a la siguiente capa de resina, y así se repite el proceso capa a capa. Al final de toda esa resina emerge el objeto 3D diseñado. Este no es el único método y se pueden usar otros materiales como polvo o metales, o incluso material plástico líquido que se solidifica al salir de la impresora, pero el concepto de capas siempre se aplica. Estos objetos se suelen medir en centímetros (no pueden ser muy grandes) pero algunas impresoras llegan a varios metros. Además, es un proceso lento y que requiere de paciencia: para un objeto de 100 gramos algo complejo pueden ser necesarias varias horas. Por último, citar que los materiales que usan no son baratos.
Las impresoras 3d utilizan principalmente 3 tipos de formas de imprimir, lo que da lugar a 3 tipos de impresoras 3d diferentes. Aunque todos los tipos de impresoras 3d utilizan el proceso aditivo, hay algunas diferencias en la forma de construir el objeto.

Tipos de Impresoras 3D

Existen varios tipos de impresoras 3D según la tecnología que utilizan; así encontramos:

Impresión por estereolitografía o SLA

SLA o fotosolidificación significa endurecer un polímero a la luz. Este sistema utiliza resina sensible a la luminosidad que generalmente se encuentra en forma líquida. Mediante la aplicación de luz ultravioleta el material se va solidificando. Se aplica capa por capa hasta formar un objeto. Permite realizar piezas pequeñas y muy detalladas, por lo que se usa en joyería o medicina. El costo de la máquina y los materiales es bastante elevado. El siguiente video ilustra el proceso de este tipo de impresoras.

Impresión de sinterización selectiva por láser o SLS

SLS significa «sinterizado de laser de un material». Usa diversos materiales en polvo como cerámica, cristal, poliestireno, nylon, etc.; los cuales se van compactando mediante un láser. Es un sistema que se utiliza en la industria ya que es versátil y ofrece piezas de alta calidad. Su desventaja es que tiene un precio muy elevado, pero se cree que en un futuro se podrá simplificar el proceso para reducir costes y que terminará siendo el tipo de impresión 3D que trascienda en el tiempo. Si quieres ver el funcionamiento aquí te dejo el enlace.

Impresión por inyección

Es similar al SLS, pero en lugar de un láser, utiliza una sustancia coaligante para compactar el material. Una de las ventajas de esta impresora es que también se puede utilizar tinta, lo que permite crear objetos con diferentes colores. Su desventaja es que requiere procesos muy elaborados de postproducción.

La impresión por deposición de material fundido o FDM

Crea los objetos a partir de finísimos hilos de polímero fundido que se solidifica al instante, para continuar con la siguiente capa. Lo que hace es ir fundiendo un filamento (hilo) de polímero mediante un pico (boca de salida) y depositando capa sobre capa el material fundido hasta crear el objeto sólido. En esta tecnología, el propio material se va añadiendo por capas hasta crear la forma deseada. Las impresoras que emplean esta técnica tienen un coste menor y son las más utilizadas en el ámbito educativo. Esta técnica también se conoce como «Deposición de Material Fundido» o FDM. Es una tecnología que permite conseguir piezas utilizando plástico ABS (similar al material de los juguetes Lego) o bien PLA (un polímero biodegradable que se produce desde un material orgánico). Este tipo de tecnología es la que se ofrece a los usuarios domésticos por ser la más accesible, pero a pesar de que su calidad es muy buena, no se puede comparar con los resultados que ofrecen los otros sistemas. Como esta es la más común para uso doméstico basaremos todos nuestros posts en ella.

Partes y componentes de una impresora 3D.

1-Estructura de la impresora 3D

Este es uno de los aspectos clave, tanto en los resultados que obtendremos como en el coste de la propia impresora 3D. Una estructura débil puede producir:

  • Bamboleos durante la impresión, que redundan una una mala calidad de impresión, y nos limita enormemente la velocidad de impresión que podemos alcanzar. Además algo tan sencillo cómo el movimiento de la bobina puede producir oscilaciones. Por esto es frecuente encontrar soportes que apoyan en la mesa en lugar de apoyar en la estructura de la impresora 3D, generalmente por que estas estructuras no pueden soportar ni el movimiento de la bobina.
  • Desajustes en la base o cama caliente que provocan que la primera capa no quede pegada o, peor aún, que el cabezal choque con la base produciendo atascos y averías.
  • Limita el uso de extrusores a extrusores bowden. Si la estructura es débil, no soportará el uso de un extrusor directo en movimiento, por lo que no podremos usar materiales flexibles, y el control sobre la extrusión será muy pobre.

2-Extrusor

Es el componente que realiza el cambio de estado del material, en cómo está diseñado y fabricado está en juego la compatibilidad de materiales que podemos tener, la precisión y fiabilidad de nuestra impresora 3D.

  • ¿Bowden o directo? Generalmente es mucho mejor directo, ya que un extrusor directo puede imprimir con mayor precisión, hacer mucho mejor las retracciones, tener compatibilidad con mayor número de materiales, y evitar los atascos que se producen con un extrusor bowden.
    Sin embargo, el uso de un sistema Bowden está justificado en algunas situaciones, como multimaterial, o impresoras 3D que estén diseñadas para imprimir muy rápido como sistemas CoreXY o tipo Delta.
    En muchas impresoras 3D baratas se usa un extusor bowden simplemente por que la estructura no es capaz de soportar el movimiento de un extrusor directo.

  • Poleas dentadas: son el componente que transmiten la fuerza del motor al filamento. Puede haber diferencias enormes entre unas poleas u otras, tanto en el coste, como en el desempeño de su función. A día de hoy (2019) uno de los mejores sistemas son las poleas dobles, ya que la fuerza se transmite al filamento por dos zonas a la vez, disminuyendo la probabilidad de que el filamento patine, y aumentando la fiabilidad. Existen muchas otras poleas, de diferente geometría y materiales, las peores son las de bronce con dientes rectos, pero al tener un coste de unos pocos céntimos son muy usadas.

  • Hotend/fusor: se trata del componente que transmite la temperatura al filamento de impresión 3D, tiene varios aspectos clave muy a tener en cuenta:
    1.- Calidad de mecanizados: en ocasiones nos podemos encontrar mecanizados muy pobres que harán que el hotend no funcione como debiera ni como está diseñado, esto desgraciadamente es más habitual de lo que parece.
    2.- Diseño de la garganta, barrel o barrera térmica. Es la zona donde se empieza a producir el cambio de estado del material, mantiene el calor en la zona donde debe estar y tiene una gran repercusión el los materiales que podemos trabajar y la fiabilidad de la impresora 3D. Este componente tan pequeño es uno de los más importantes.
    3.- Disipador térmico, con o sin ventilador. Refuerza la función de la barrera térmica, ambos componentes juntos mantienen la temperatura del bloque en su sitio, algunos disipadores mal diseñados provocan que el filamento se funda antes de llegar a la zona caliente, produciendo atascos y averías.
    4.- Boquillas: aunque fácilmente reemplazables, una boquilla con un mal mecanizado nos puede causar muchas molestias, es mejor evitarlas.

3-Correas y poleas

En los inicios de la impresión 3D se usaban correas tipo T, con dientes rectos que inevitablemente causaban juego en el movimiento de los ejes. Con la aparición de las correas GT2 este problema despareció, ya que este tipo de correa transmite un movimiento muy preciso sin juego. Se han convertido en el estándar indiscutible. Pero hay muchas calidades diferentes:

  • Correas de goma, sin refuerzos ni nada. Su coste es irrisorio, pero al no tener refuerzo interno estiran con la tensión de los ejes y los resultados no son precisos.
  • Correas GT2 reforzadas con fibra de vidrio, son las más usadas ya que la fibra de vidrio evitan que «estiren» con su uso, le dan cierta rigidez, funcionan bien y son una buena elección.
  • Correas GT2 reforzadas con fibra de vidrio y con recubrimiento anti-desgaste, son relativamente nuevas y solucionan el único problema que presentan el modelo anterior, evitan que su superficie se desgaste con el uso

Poleas GT2, se pueden diferencia por el número de dientes, esto tiene una repercusión directa en los pasos por mm, para impresoras 3D de tamaño mediano se suelen usar las de 20 dientes, las de 16 para impresoras 3D pequeñas, y las de 36 para modelos de gran tamaño.

Aunque los pasos por mm son la principal repercusión de este tipo de poleas, no es la única, una polea más pequeña tiene menos dientes en contacto con la correa, por lo que la transmisión de fuerza es peor, además de que necesita un movimiento del motor mayor para el mismo recorrido, lo que implica mayor uso del procesador, y el par que se gana por el menor radio de la polea se puede perder por la velocidad del motor y el número de dientes en contacto.

Tomando como referencia la polea de 20 dientes, podemos decir que puede ser interesante bajar el tamaño para impresora 3D pequeñas, lentas y precisas, y aumentar el tamaño para impresoras 3D grandes y rápidas.

4-Rodamientos y varillas

En este punto encontramos muchas dudas, en parte debido a las traducciones equívocas. Hay que distinguir, varillas de acero inoxidable, el cual tiene cromo en su composición (más de un 10,5%), y las varillas de acero cromadas, las cuales sólo tienen una pequeña capa de cromo en la parte exterior. Este tipo de barras cromadas, sólo tienen un pequeño tratamiento superficial de 0.02mm, es decir, la quinta parte del grosor de un papel, el resto es acero. Probablemente con el tiempo, el uso y el desgaste provocado por los rodamientos se oxidarán en una impresora 3D. Al tener poco cromo y el cromo ser caro, estas varillas son más baratas y se usan como solución de bajo coste.

LM8UU, SC8UU O IGUS DRYLIN

La diferencia entre los LM o SC, es simplemente la carcasa, por dentro son exactamente iguales, lo Igus sin embargo son muy diferentes. Una buena combinación varilla + rodamiento funcionará perfectamente. Este tipo de movimientos es muy efectivo y se usa en impresoras 3D de todas las gamas, incluso en impresoras 3D de gama profesional.

Lo Igus tienen un comportamiento diferente, ya que deslizan en lugar de rodar, tienen mayor fricción, sufren un poco más de desgaste y hacen que las correas se desgasten también un poco más. Son una opción perfectamente válida ya que el movimiento es ligeramente más preciso.

5-Electrónica

Fuente de alimentación

Es el componente encargado de convertir la tensión de la red eléctrica (corriente alterna) en corriente continua a un voltaje adecuado y estable para nuestra impresora 3D, normalmente 12 o 24V. Su función es sencilla y evidente, pero debe estar bien dimensionada para la impresora 3D, una tarea que parece sencilla pero en ocasiones para economizar se hace de forma pobre. Hay que tener en cuenta que nuestra impresora trabajará durante muchas horas de forma ininterrumpida, impresiones de más de 24 horas son habituales, y las fuentes que se usan son fuentes industriales para LEDs, que están diseñadas para funcionar en intervalos más cortos.

Además, el tipo de carga que es una impresora 3D es diferente a un simple LED, la impresora 3D tiene cambios bruscos de carga, principalmente generados por la cama. Además de que las cargas no son sólo resistencias. Estos factores hacen que sea recomendable elegir una fuente de unas 2 veces la potencia nominal de la impresora 3D, si queremos que nos dure muchos años.

12V o 24V

Las fuentes de 12V han sido las primeras en aparecer, funcionan perfectamente en impresoras 3D pequeñas y medianas, además de ser muy seguras. Para impresoras 3D de tamaño grande son más recomendables las impresoras de 24V ya que las camas calientes grandes requieren mucha potencia a 24V las conexiones y cables pueden ser más pequeñas.

Placa de control

Es el elemento que controla todos los demás componentes de la impresora 3D, los enciende y apagada, lee las instrucciones del código, las convierte en instrucciones para los controladores, etc. Este componente tiene además muchos otros subcomponentes.

PROCESADOR

Es el encargado de hacer todos los cálculos necesarios para el funcionamiento de la impresora 3D, el más usado es el AVR ATMEGA2560, de 8 bits, pero con una potencia suficiente para la mayoría de impresoras 3D cartesianas. Al ser tan usado Marlin funciona de forma muy estable en él. Existen procesadores inferiores que trabajan también a 8 bits que aún se usan, con menos memoria que nos limitan mucho las funciones que podemos usar. Recientemente están apareciendo procesadores de 32 bits, que muy probablemente pronto serán el estándar, pero actualmente su funcionamiento puede ser no muy estable junto a Marlin. En impresoras 3D cartesianas no se les podrá sacar mucho partido.

CONTROLADORES PARA LOS MOTORES

Desde el controlador A4988, barato y ruidoso, los DRV8825 más potentes y silenciosos, hasta los avanzados controladores TMC, hay un gran abanico de posibilidades. Los DRV8825 y los A4988 funcionan bien aún, pero los TMC2130 a un coste razonable ofrecen funciones avanzadas y muy buenos resultados, disminuyendo la carga del procesador.

MOSFETS Y CONTROL DE POTENCIA

Es quizás la parte más crítica junto a las conexiones, ya que puede causar serios problemas en caso de estar mal dimensionados. Los mosfets son chips que regulan la salida de corriente de la placa, al hacerlo se calientan. En el mercado hay muchos modelos, desde algunos pequeños diseñados para intensidades de hasta 1A, hasta algunos muy potentes capaces de soportar picos altísimos de 220A o más. La diferencia del coste del componente es proporcional, por lo que desgraciadamente sigue siendo habitual encontrar mosfets quemados y dañados que pueden llegar a provocar un incendio grave. Si haces algún proyecto libre, este es uno de los puntos en los que debes prestar especial atención.

CONEXIONES

Deben ir dimensionadas en función de la potencia del componente, al igual que el grosor del cableado y las clemas. Si no están bien dimensionadas por el simple efecto Joule se calentarán tanto que se dañarán bajo riesgo de incendio.

LCD CON LECTOR DE TARJETAS SD

Hace unos años era un extra interesante, hoy es un imprescindible, con el podemos imprimir de forma cómoda y autónoma, además de hacer multitud de ajustes directamente.

6-Cama caliente

Prácticamente imprescindible, en el mercado existen multitud de modelos, nos permiten imprimir con materiales como PETG y ABS. Es el elemento con mayor consumo en la impresión 3D, por lo que debe estar dimensionado junto a la fuente de alimentación.

El uso de aislante en la cara inferior es recomendable para disminuir el consumo, y el uso de un cableado acorde a su potencia. Tipos:

  • Tipo PCB: es el más antiguo, consiste en una placa de circuito impreso, diseñada como una resistencia. Destaca por su bajo coste y poco peso, junto a un cristal funciona muy bien ya que compensa su principal defecto: su falta de planitud.
  • PCB con aluminio: el aluminio mejora el reparto de la temperatura, haciéndola muy homogénea en toda su superficie. El acabado superficial es muy plano y se pueden ocultar las cabezas de los tornillos. Es aconsejable usar un recubrimiento, es compatible con cristal, adhesivos, etc. La única desventaja es su adicional grosor respecto a las PCB, este grosor las hace un poco más pesadas y calientan más lento, por lo que suelen ser también más potentes para compensar este factor.
  • Otras camas: generalmente se basan en las anteriores, camas como la Mk52 tienen además imanes insertados.

Finalmente en conjunto una impreosra 3D luce asi:

6-Materiales utilizados en la impresión 3D

El avance de la tecnología ha permitido que los materiales que se utilizan en la impresión 3D se diversifiquen, haciendo posible el obtener toda clase de sólidos. Por lo tanto depende de cada usuario el determinar cuál es el mejor material que será más adecuado para su proyecto.

Por lo general, los materiales más utilizados son los termoplásticos, siendo los más populares el ABS y el PLA. Con el ABS se pueden imprimir objetos que sean resistentes y duraderos, con propiedades reciclables y en una variedad de colores. El PLA es otro termoplástico que también está disponible en una variedad de colores, sin embargo, los sólidos realizados con este material no son tan fuertes en comparación con los realizados con ABS. Otro material utilizado en la impresión 3D es el WPC, el cual es una combinación de polímeros con madera que permite obtener sólidos con un aspecto y olor similar al de la madera. Los polvos metálicos son otro material que se está haciendo bastante popular debido a que se pueden realizar sólidos de acero inoxidable, oro, plata e incluso de titanio.

Conclusión

Son muchos los componentes de una impresora 3D, todos los componentes tienen relación entre sí, y es en el equilibrio de estos componentes, como se complementan entre sí donde podemos tener una experiencia satisfactoria con el mundo de la impresión 3D. Si un único componente falla, todos los demás no servirán de nada, de ahí la importancia de cada uno de ellos y de como nuestra impresora tenga una selección de componentes equilibrada y bien dimensionada. Es muy común encontrar ofertas de impresoras 3D en el mercado con componentes desfasados y de baja calidad, guías de «mejores imprescindibles para x modelo barato», pero todas estas mejoras no hacen más que enmascarar problemas de fondo generados por economizar en exceso en los componentes. En en el mundo de la impresión 3D hay muchos componentes diferentes y muchas calidades, ningún fabricante vende altas calidades y tolerancias a precios baratos. Te llevas lo que pagas.

Nuestra recomendación es que antes de comprar una impresora 3D, o montar un proyecto de código abierto, indagues en los componentes y valores lo que realmente necesitas, ya que el precio no es el único factor a tener en cuenta.

Modelos de impresoras mas populares.

Ejemplos de lo que son capaces de hacer.

Impresión 3d de Comida

La impresión de comida todavía es un campo en el cual se necesitan mejorar ciertos aspectos, pero es una de las que más futuro tiene. Actualmente hay empresas que comercializan impresoras 3D que imprimen variedad de alimentos, desde dulces y chocolates hasta alimentos salados.

Objetos decorativos

La impresión de objetos decorativos es un negocio en el que los artesanos están comenzando a formar parte, ya que no hay limitaciones con respecto al sólido que se desea crear. Es posible imprimir lámparas,  porta velas, cubiertos, platos, jarrones, entre otros; y no solo los profesionales pueden sacar provecho de esto, sino también la persona común ya que puede comprar un plano de un objeto decorativo e imprimirlo en su hogar.

Joyas y bisutería

Con una impresora 3D es posible obtener también piezas de joyería y bisutería, lo cual ha impulsado a muchos emprendedores a crear empresas de diseño. Las piezas son diseñadas con un software 3D y luego son impresas con un material de polvo de acero con un acabado en oro.

Mecanismos

En la actualidad hay empresas estadounidenses que están fabricando las piezas y repuestos de sus automóviles a partir de la impresión 3D. Con una impresora 3D se pueden imprimir piezas de motor, componentes mecánicos, engranajes y muchos otros más.

Urbanismo

La impresión 3D apuesta cada vez por más, y los profesionales que trabajan en este campo quieren romper todas las barreras. Es posible imprimir edificios y puentes de materiales de construcción obteniendo resultados duraderos y de excelente calidad. Algunas ciudades de Europa cuentan con construcciones realizadas con la impresión 3D, como el caso de La Haya, en Holanda, donde cuentan con un puente impreso recientemente inaugurado.

Espero que este resumen les haya servido para entender que es una impresora 3D. Si eres un entusiasta de la electronica y quieres construir tu propia impresora 3D les invitamos a que se unan a nuestro grupo de telegram Clone_Wars_Cuba

En proximos post les mostraremos el trabajo de nuestra comunidad.

¿De cuánta utilidad te ha parecido este contenido?

¡Haz clic en una estrella para puntuar!

Promedio de puntuación 0 / 5. Recuento de votos: 0

Hasta ahora, ¡no hay votos!. Sé el primero en puntuar este contenido.

Please follow and like us:
Alexander Rivas Alpizar
Sobre Alexander Rivas Alpizar 45 artículos
Administrador de Redes EMPRESTUR Cienfuegos

Sé el primero en comentar

Dejar una contestacion

Tu dirección de correo electrónico no será publicada.


*