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Mejores prácticas en CAD Para Impresión 3D: Parte 1

Día a día, es más común encontrar impresoras 3D cada vez más accesibles, más potentes, y con mayores facilidades de uso, para que cualquier persona pueda sacar el máximo provecho de su máquina sin mayor complicación 

Sin embargo, aunque es claramente importante la potencia y calidad de una impresora para obtener grandes resultados, es igual de importante preparar tus modelos para que puedan ser fabricados de manera efectiva en una impresora 3D. ¿Y qué mejor programa para definir una intención de diseño que SOLIDWORKS? 

A lo largo de estos artículos, les compartiré las mejores prácticas en CAD para lograr resultados excelentes en una impresora 3D FDM, (Método de Deposición Fundida), las cuales se caracterizan por el uso de filamentos.  

Estas mejores prácticas serán cubiertas en 3 publicaciones, las cuales cubrirán los siguientes puntos: 

  • Orientación de impresión 
  • Modelado multicuerpo 
  • Planeación de soportes 

Iniciemos esta publicación hablando de un tema sumamente importante: La orientación de impresión.

Ilustración 1.Prusa I3 MK3S+

Orientación de impresión 

Al momento de modelar una pieza, sin importar en donde fue modelada, siempre se podrá elegir su orientación de impresión antes de imprimir.  

Para ilustrar estos conceptos, usaré el modelo de una probeta para tracción uniaxial de acuerdo con la norma ASTM E8 modelada en SOLIDWORKS, mostrada en la ilustración 2. 

 

Para realizar una impresión en 3D, se ocupan formatos tales como .STL o .OBJ. desde SOLIDWORKS podemos exportar este modelo en formato .STL, e insertarlo en el Slicer1 de la impresora que vamos a ocupar 

Dentro del ambiente del Slicer, un objeto puede ser desplazado, rotado y escalado a gusto personal, sin embargo tomaremos el modelo de esta probeta y lo posicionaremos con 3 orientaciones diferentes: Horizontal, Vertical, y Lateral. Estas orientaciones se muestran en las ilustraciones 3, 4 y 5 

Ilustración 3. Orientación Horizontal

Ilustración 4. Orientación Lateral

Ilustración 5. Orientación vertical

Ilustración 3. Orientación Horizontal 

Es este punto en donde nos podemos hacer la pregunta; ¿Cuál es la mejor manera de orientar esta pieza?

La respuesta a esa pregunta siempre será dependiendo de la intención del uso final del componente. Supongamos que la intención, en esta ocasión, es la de obtener la impresión que mejor resista esfuerzos de tracción uniaxial a lo largo de la pieza.

En los estudios de mecánica de materiales, es conocido que los materiales comúnmente pueden ser Homogéneos y/o Isotrópicos.

Cuando un material es Homogéneo se asume que es un material con una composición uniforme en todo su volumen, y que éste no puede ser separado en diferentes materiales por métodos mecánicos

Cuando un material es Isotrópico, se asume que sus propiedades mecánicas son iguales en todos sentidos y direcciones

Considerando que para imprimir esta probeta usamos un plástico ABS, podemos asumir que es homogéneo, ya que es un solo material estable.

Sin embargo, el proceso de fabricación de una pieza en 3D, produce que las propiedades de la pieza no sean isotrópicas, ya que la fuerza de adhesión entre las capas de impresión no posee la misma fuerza que la del material mismo.

Esto es debido a la naturaleza de la Impresión 3D, ya que la impresora funde el filamento insertado, y lo adhiere en forma de capas de 0.2mm o menos a una cama de impresión. Cada vez que una capa es finalizada, se inicia una capa nueva, construyéndose sobre la anterior. Múltiples factores afectan a la adhesión entre capas, tales como el material mismo, la altura de capa, la temperatura de impresión y la humedad entre otros. Para favorecer un análisis más comprensible de estas piezas, se asumirá que tienen un 100% de densidad de relleno.

Mostraré una previsualización de la probeta Horizontal y Vertical para ejemplificar mejor este punto.

Ilustración 6. Previsualización de capas horizontales

Ilustración 7. Previsualización de impresión vertical

Al comparar ambas ilustraciones, es posible ver que la impresión de manera horizontal tiene mucho menos capas que la impresión de manera vertical. Para visualizar mejor este punto, las ilustraciones 8 y 9 muestran como es cada capa individual en ambas formas.

Ilustración 8. Capas horizontales

Ilustración 9. Capas verticales

Una vez que hemos dejado claro el cómo se imprime esta pieza en estas dos posiciones, es momento de visualizar la forma en que se presenta la tracción uniaxial en un ensayo de tensión:

Ilustración 10. Acción de cargas en un ensayo de tracción uniaxial

Al comparar tanto la forma en que se imprime este componente, como la forma en que actúan las cargas sobre él, podemos concluir que si se imprime de manera Horizontal, las cargas actuarán de manera paralela al desarrollo de las capas.

En cambio, si se imprime de manera vertical, las cargas actuarán de manera perpendicular al desarrollo de las capas.

En este último caso, la carga uniaxial actuará en contra de la fuerza de adhesión entre las capas, no en contra de las propiedades del material mismo; por lo que resultara ser mucho más frágil ante este tipo de cargas.

Hemos llegado a la conclusión de que es la mejor práctica evitar tener cargas que se encuentren normales a las capas de impresión de nuestro modelo, pero ¿En qué podemos aplicar esto?

Supongamos que queremos realizar una pieza donde se pretende ensamblar a presión un balero. Ilustraré a continuación dicha pieza.

Ilustración 11. Contenedor de balero

Es una pieza sencilla, sin embargo, existen 2 maneras de imprimirla, las cuales ilustro a continuación:

Ilustración 12. Orientación Vertical de impresión de balero 

Ilustración 13. Orientación Horizontal de impresión de balero 

Al insertar el balero a presión, este ejercerá una carga sobre las paredes del contenedor. Estas cargas se pueden representar de esta manera:

Ilustración 14. Efecto de carga del balero sobre las paredes de su contenedor

Podemos realizar una vista de corte en la sección transversal de la pieza, concluyendo que las cargas se aplican en la zona indicada de la siguiente ilustración:

Ilustración 15. Acción de cargas en la zona transversal

Ahora que hemos identificado las caras donde actúan las cargas, debemos seleccionar una orientación de impresión tal que evite que las capas de impresión sean normales a la dirección de las cargas, por lo que podremos elegir nuestra orientación Horizontal como la correcta.

Sin embargo, esto puede ser un caso muy simple. ¿Cuál será la forma correcta de imprimir un objeto como el que se muestra en la ilustración 16?

Ilustración 16. Gancho de tensión multiaxial

Es cierto que es un objeto extraño, pero es el ejemplo perfecto para el caso que busco demostrar. La intención de esta pieza es la de estar sujeta a tensión por 4 cables a sus costados, para colgar un objeto en su gancho central, teniendo así tensión en sus 3 ejes

¡La resolución de este caso la llevare acabo en la siguiente publicación! Donde cubriré el tema: Modelado multicuerpo.

Espero que esta lectura te haya resultado útil o interesante, ¡sigue leyendo para mejores prácticas al momento de imprimir en 3D!

ESCRITO POR: César Antonio Trujillo Pérez – Ing. Creador de Contenidos LMS.

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