¿Cómo funciona una máquina de impresión 3D?

¿Alguna vez se ha preguntado cómo los objetos de plástico parecen aparecer casi de la nada en algunos laboratorios de fabricación o talleres de aficionados? Tal vez haya oído hablar de la tecnología de impresión 3D, pero no está muy seguro de lo que ocurre entre bastidores. Si siente curiosidad por los entresijos de la creación de objetos sólidos capa a capa, está en el lugar adecuado. En este artículo responderemos a esta pregunta, Cómo funciona una máquina de impresión 3D trabajo, y profundizar en el proceso.

En el resto de este artículo, exploraremos cada etapa de Cómo funciona una máquina de impresión 3D desde la fase de diseño digital hasta la pieza impresa final. También estudiaremos distintos métodos de impresión, consejos para obtener mejores impresiones y algunos errores comunes que conviene evitar.

Máquina de impresión 3D: Un vistazo a la fabricación moderna

Esta tecnología transforma diseños informáticos en objetos físicos mediante un proceso aditivo. La máquina deposita o fusiona material capa a capa, guiada por instrucciones codificadas. A medida que se forma cada nueva capa, el objeto va ganando altura lentamente hasta alcanzar la forma final. Se puede imprimir cualquier cosa, desde figuritas decorativas hasta prototipos funcionales.

Extrusión por filamento (FDM)

Muchas máquinas de impresión 3D utilizan Modelado por deposición fundida (FDM)que consiste en fundir un filamento de plástico y extruirlo a través de una boquilla calentada para construir objetos línea por línea. El filamento se solidifica rápidamente en contacto con aire frío o una plataforma de construcción.

Sinterización por láser

Otras impresoras se basan en láseres de alta potencia para fundir material en polvo en capas sólidas. Dos métodos comunes son:

• Sinterización selectiva por láser (SLS): Utiliza un láser para fusionar plásticos en polvo como el nailon en piezas complejas y duraderas.
• Fusión selectiva por láser (SLM): Un proceso similar, pero diseñado específicamente para polvos metálicos, que crea piezas metálicas fuertes y totalmente densas.

Después de que cada capa se funda, se esparce polvo fresco por encima, y el proceso se repite hasta que toma forma un objeto completo.

Curado de la resina

Algunas impresoras trabajan con resina líquida. Una fuente de luz endurece zonas específicas de la resina, capa a capa, para formar el sólido final. Este método permite obtener detalles muy finos y acabados suaves. Dos métodos habituales son:

• Estereolitografía (SLA): Utiliza un láser UV para curar resina líquida con extrema precisión.
• Fusión multichorro (MJF): Método basado en polvo que aplica agentes de fusión y detallado antes de calentar el material para formar piezas con excelentes propiedades mecánicas.

Diseño asistido por ordenador (CAD)

La mayoría de los proyectos de impresión 3D comienzan con un plano digital. Puedes crear modelos en un programa de CAD o descargarlos de bibliotecas en línea. La máquina de impresión 3D necesita estos archivos para trazar cada capa con precisión.

Etapas del proceso CAD:

• Redacción del modelo: Dé forma a su concepto utilizando herramientas CAD.
• Guardar el archivo: Los formatos más habituales son STL y OBJ.
• Software de corte: Convierte el archivo en una serie de capas, generando instrucciones de código G para la impresora.

Un software avanzado puede detectar paredes delgadas o salientes que pueden causar problemas de impresión, guiándole para solucionarlos antes de empezar. Los diseños sencillos pueden modelarse en cuestión de minutos, pero los ensamblajes complejos pueden requerir amplios conocimientos de CAD. En cualquier caso, este paso digital es crucial, ya que la impresora sigue estas instrucciones al pie de la letra, garantizando resultados precisos. Con un software avanzado, se capturan hasta los detalles más intrincados, evitando posibles problemas que podrían surgir durante la impresión.

Rebanar: La salsa secreta

Su máquina de impresión 3D no leerá simplemente el archivo STL sin procesar y empezará a imprimir. Se necesita un programa de corte para dividir ese modelo 3D en una pila de cortes 2D. Estos cortes actúan como planos para cada capa.

Cómo funciona el corte:

1. Importe el modelo CAD al software de corte.
2. Elija ajustes como la altura de la capa, el porcentaje de relleno y los soportes.
3. Genere un código G que trace los movimientos de cada capa, las temperaturas de los extrusores y las velocidades.

Patrones de relleno:
La estructura interna que soporta el objeto. Un alto porcentaje de relleno produce impresiones más resistentes, pero lleva más tiempo. Un patrón alveolar o cúbico puede lograr un equilibrio entre resistencia y tiempo.

Soportes:
Las secciones que sobresalen necesitan un soporte temporal. Puede imprimir estos andamiajes utilizando el mismo material o uno soluble diferente que se disuelva tras la impresión. Las cortadoras le permiten personalizar la densidad del soporte, garantizando la eficiencia del material, lo cual es crucial cuando se trabaja con andamios que requieren soporte temporal durante la impresión. El ajuste de la estructura de soporte puede optimizar el proceso de impresión, haciendo que el soporte temporal sea más eficaz..

Materiales de impresión y variaciones

No todas las impresoras 3D utilizan la misma materia prima. Algunas se basan en filamentos de plástico, mientras que otras utilizan resina líquida o incluso polvos metálicos. El tipo de máquina de impresión 3D que tengas dictará tus opciones de material y método de impresión.

Termoplásticos (FDM, MJF, SLS):
Las máquinas de filamento suelen utilizar PLA, ABS, PETG o nailon. El PLA es fácil de usar para principiantes y biodegradable, mientras que el ABS es más duro pero más difícil de manejar debido a la deformación. Cada tipo de plástico tiene características únicas, como la flexibilidad o la resistencia al calor.

Resinas (SLA, DLP):
Estereolitografía (SLA) o las impresoras DLP curan la resina líquida con luz UV. Estas resinas pueden producir modelos muy detallados, pero requieren un procesamiento posterior y suelen ser más caras por impresión en comparación con los filamentos.

Metales y cerámica (SLM, MJF):
Las máquinas industriales de impresión 3D pueden fundir polvos metálicos en piezas totalmente densas. Es un cambio de juego para las industrias aeroespacial o automovilística. Algunas impresoras de nicho manejan incluso pastas cerámicas, lo que abre las puertas a aplicaciones artísticas y de ingeniería.

Componentes básicos de una impresora 3D

Aunque existen muchos diseños, la mayoría de las máquinas de impresión 3D comparten algunas piezas esenciales:

Extrusor/cabezal de impresión:
En las impresoras basadas en filamento, el extrusor extrae el filamento de una bobina y lo introduce en una boquilla calentada. ¿Cómo funciona una máquina de impresión 3D? El plástico fundido se extruye capa a capa. Las impresoras de resina, sin embargo, sustituyen el extrusor por un láser o proyector que cura la resina líquida.

Plataforma de construcción:
Aquí es donde se coloca cada nueva capa. Algunas plataformas se calientan para facilitar la adherencia del plástico y evitar que se deforme. Los impresores de resina sumergen una placa de impresión en una cuba y levantan la pieza a medida que se endurece cada nueva capa.

Sistema de movimiento:
Los motores paso a paso mueven el extrusor o la placa de impresión a lo largo de los ejes X, Y y Z. La precisión depende de la exactitud con la que estos motores pueden posicionar cada capa. La precisión depende de la exactitud con la que estos motores puedan posicionar cada capa.

Depósito por capas

Una característica distintiva de la impresión 3D es la estratificación. La máquina deposita o solidifica una fina capa cada vez, que se apila para formar el objeto final.

Altura de la capa

La altura de la capa determina la suavidad de la superficie y la velocidad de impresión. Las capas más finas captan detalles más precisos pero prolongan el tiempo de impresión. Las capas más gruesas aceleran el proceso, pero pueden dejar líneas visibles.

Movimiento del eje Z

Una vez completada cada capa, la plataforma de construcción desciende (o el extrusor se eleva) el grosor de una capa. Este enfoque incremental continúa hasta que la pieza está terminada. Algunas impresoras hacen esto cientos o miles de veces para proyectos altos o detallados.

Enfriamiento y solidificación

A medida que el plástico nuevo se extruye, debe enfriarse y solidificarse antes de la siguiente capa. Un enfriamiento inadecuado puede provocar la caída de los bordes o una mala adherencia de las capas. Algunas máquinas incorporan ventiladores o sopladores de refrigeración.

Ventiladores

Un ventilador dirigido cerca de la boquilla ayuda a solidificar el plástico rápidamente. Pero hay que equilibrar la refrigeración con una unión adecuada de las capas. Un ventilador demasiado alto puede hacer que las capas se separen o se deformen.

Comportamiento específico del material

Para el PLA, el enfriamiento rápido suele funcionar bien. El ABS, en cambio, prefiere un entorno más controlado para evitar que se agriete. Por eso muchas impresoras de ABS cuentan con cámaras cerradas que mantienen una temperatura estable.

Compromiso entre velocidad de impresión y calidad

"¿A qué velocidad puede ir una máquina de impresión 3D?" es una pregunta habitual. El exceso de velocidad suele reducir el detalle o el acabado superficial. Si quieres alta resolución, prepárate para tiempos de impresión más largos.

Velocidad de desplazamiento vs. Velocidad de extrusión

La velocidad de desplazamiento mide la rapidez con la que se mueve el cabezal de impresión cuando no está extruyendo material. La velocidad de extrusión indica lo rápido que se deposita el plástico en cada pasada. Muchas impresoras permiten ajustar estas velocidades de forma independiente.

Conchas y perímetros

Las paredes exteriores o cáscaras definen el aspecto final. Si se reduce la velocidad en los perímetros se obtienen superficies más limpias, mientras que si se acelera la velocidad de relleno se puede rellenar rápidamente el interior. Ajustar este equilibrio ayuda a conseguir un aspecto decente sin ciclos demasiado largos.

Métodos de impresión habituales

Diferentes Máquina de impresión 3Ds se basan en diversos principios, pero el objetivo final sigue siendo el mismo: convertir diseños digitales en objetos físicos.

Modelado por deposición fundida (FDM)

Las máquinas FDM funden y depositan termoplástico a través de una boquilla. Son populares entre los aficionados y los usuarios domésticos, tienen un precio relativamente asequible y son fáciles de usar. Las bobinas de filamento alimentan el extrusor capa a capa.

Estereolitografía (SLA)

Las impresoras SLA curan la resina líquida mediante un láser UV o un proyector. Son conocidas por su alta resolución y sus acabados suaves. El posprocesamiento suele incluir un aclarado con disolvente y un curado UV final para endurecer completamente la pieza.

Sinterización selectiva por láser (SLS)

Utilización de un rayo láser para fundir polvo, SLS Las impresoras construyen las piezas en un lecho de polvo. Cuando se acaba una capa, se esparce polvo fresco y el láser sinteriza la siguiente. No se necesitan estructuras de soporte separadas, ya que el polvo sin sinterizar rodea el objeto.

Postprocesado y limpieza

Cuando se termina una impresión en 3D, no siempre se ha acabado. Algunos métodos requieren pasos adicionales para obtener un resultado final pulido.

Retirada del soporte

Si su pieza necesita apoyo, retírelos o córtelos con cuidado. En las impresiones en resina, también puede retirar los andamios de apoyo. Demasiada fuerza puede dañar características delicadas, así que procede con cuidado.

Lijado y pulido

Muchas impresiones tienen líneas de capa visibles o puntos ásperos. Un poco de lijado o pulido puede conseguir un acabado más suave. También puedes aplicar imprimación de relleno a la pintura. Este paso es habitual si quieres un aspecto profesional.

Curado y secado

Las impresiones SLA o DLP necesitan un curado UV completo después de la impresión para alcanzar su máxima resistencia. Las piezas basadas en polvo pueden requerir un cepillado o chorreado para eliminar el polvo suelto. Cada proceso garantiza que la pieza alcance la calidad mecánica y estética final.

Solución de problemas de impresión

No todas las impresiones salen perfectas. Puedes encontrarte con esquinas curvadas, subextrusión o espaguetis desordenados. Detectar la causa puede ahorrarte frustraciones y desperdicio de filamento.

Problemas de adherencia de la cama

Si la primera capa no se adhiere, el modelo puede alabearse o desprenderse a mitad de camino. Las soluciones incluyen la nivelación de la cama, el aumento de la temperatura de la cama, o la adición de ayudas adhesivas como cinta adhesiva o barras de pegamento.

Subextrusión

Cuando la máquina no puede empujar suficiente filamento, las capas parecen finas o tienen huecos. Compruebe si la boquilla está obstruida o si la tensión del alimentador es demasiado floja. Compruebe también que la temperatura es lo suficientemente alta para fundir bien el filamento.

Cambio de capas

A veces, su modelo se desplaza parcialmente hacia arriba, creando una forma sesgada. Esto suele deberse a que las correas patinan o a que los motores paso a paso no dan los pasos adecuados. Asegúrate de que las correas están tensas y los motores no están sobrecargados.

Información: Lleva un "registro de fallos". Anotar cada problema de impresión y su solución te ayuda a aprender de los errores, afinar los ajustes y evitar que se repitan los problemas. 

Buenas prácticas para resultados coherentes

Un mantenimiento regular y unos hábitos de impresión cuidadosos pueden garantizar que su máquina de impresión 3d produce piezas fiables una y otra vez.

Nivelación de camas

Una base bien nivelada favorece una adherencia uniforme de la primera capa. Algunas impresoras incluyen sensores de nivelación automática del lecho, pero las comprobaciones manuales con una hoja de papel también pueden funcionar bien.

Calibrar los pasos de extrusión

La calibración del extrusor garantiza que la impresora alimente la longitud correcta de filamento. La sobreextrusión da lugar a superficies grumosas, mientras que la subextrusión produce capas débiles o incompletas.

Mantenga seco el filamento

El filamento cargado de humedad puede burbujear y chisporrotear durante la impresión, provocando una extrusión inconsistente. Almacenar las bobinas en recipientes herméticos con desecante alarga su vida útil.

Consejo para el éxito: Crea una pequeña impresión de prueba -como un cubo de calibración- cada vez que cambies de material o modifiques drásticamente los ajustes. Esta prueba rápida verifica que vas por el buen camino. 

Aplicaciones industriales de la impresión 3D

Mientras que las impresoras para aficionados reciben mucha atención, las industriales máquina de impresión 3d manejan grandes tiradas de producción y materiales especializados.

Creación de prototipos

Las empresas prueban rápidamente nuevos diseños de productos. Pueden perfeccionar las formas, probar la funcionalidad y corregir defectos antes de comprometerse con costosas herramientas o moldes.

Fabricación de bajo volumen

Para artículos especializados o personalizados, la impresión 3D puede superar a la producción en serie tradicional. Evita la necesidad de múltiples moldes, lo que permite a las empresas cambiar o personalizar piezas rápidamente.

Aeroespacial y médica

Desde implantes personalizados hasta componentes aeronáuticos ligeros, estos campos amplían los límites del potencial de la impresión 3D. Las impresoras de metal o resina de gama alta cumplen rigurosas normas de seguridad y rendimiento.

Conclusión

¿Cómo funciona realmente una máquina de impresión 3D? En esencia, se trata de construir capa por capa a partir de planos digitales. Un software de corte toma el modelo 3D y lo convierte en finas capas. A continuación, la máquina de impresión 3D sigue estas instrucciones, depositando o curando el material capa por capa. Diferentes máquinas utilizan diversos materiales, como filamento de plástico, resina líquida o incluso polvo metálico, pero el concepto sigue siendo el mismo: un proceso aditivo en el que cada capa se funde con la anterior.

Si maneja adecuadamente la fase de diseño, los parámetros de corte y los pasos finales de posprocesamiento, podrá crear impresiones de alta calidad con formas que podrían resultar imposibles con los métodos tradicionales. ¿Cuál es el resultado? Una forma rápida y flexible de convertir la imaginación en realidad física. Tanto para los entusiastas como para los gigantes de la industria, las máquinas de impresión 3D abren innumerables posibilidades.

Preguntas frecuentes

¿Cuánto se tarda en imprimir un objeto típico?

Varía en función del tamaño, la altura de las capas y el material. Algo pequeño puede llevar menos de una hora, mientras que un modelo grande y detallado puede durar varios días.

¿Son las piezas impresas en 3D lo suficientemente resistentes para un uso funcional?

Sí, dependiendo del filamento o la resina. El PLA es decente para prototipos, mientras que el PETG o el nailon soportan más tensión. La impresión 3D en metal puede producir componentes totalmente funcionales.

¿Necesito ventilación especial para imprimir en 3D?

Es aconsejable disponer de una buena circulación de aire, especialmente con impresoras de ABS o resina que emiten humos. Una zona bien ventilada o una impresora cerrada ayudan a mantener una calidad del aire segura.