¿Cómo se construye una impresora 3D industrial y qué funciones realizan sus piezas (ejes, correas dentadas y marcos)

La impresión 3D ha revolucionado la fabricación industrial y la construcción de prototipos. Esta tecnología produce objetos capa por capa a partir de un modelo digital. Consta de los componentes principales: Además de un marco, un cabezal de impresión, una base de impresión, una unidad de control, ejes, correas dentadas y motores, el diseño típico de una impresora 3D generalmente también requiere una serie de accesorios. Pero, ¿cómo funciona exactamente una impresora 3D industrial? Este artículo destaca la estructura y función de los componentes más importantes y menciona brevemente algunas áreas de aplicación.

Una impresora 3D crea objetos tridimensionales aplicando material capa por capa basándose en un modelo digital. Esto también se conoce como proceso de fabricación aditiva, ya que el material se agrega gradualmente a la pieza de trabajo sin terminar.

El proceso comienza con un archivo de diseño digital, a menudo entregado en formato STL (STL = Stereo Lithography o estereolitografía). Este se carga en un software especial con el que el modelo 3D se convierte en un archivo de control comprensible para la impresora 3D. Este archivo se convierte al llamado código G (el código G es un lenguaje de máquina para programar máquinas CNC). El modelo de datos se divide mediante un software de corte en capas de código G o capas horizontales delgadas. Este proceso se llama corte.

La impresora lee este archivo e imprime sucesivamente las capas aplicando y solidificando el material (a menudo plástico, resina o polvo metálico) capa por capa hasta crear el objeto completo.

El proceso exacto varía según la tecnología de impresión, por ejemplo, si el material se funde mediante calentamiento (FDM) o se endurece mediante exposición a la luz (SLA). Actualmente están disponibles las siguientes tecnologías de impresión:

• Estereolitografía (SLA): Se vierte una fina capa de resina sintética en una bandeja. Luego, un láser UV expone las áreas a curar. Para esta tecnología se utiliza una carcasa de impresora 3D.
• Estereolitografía enmascarada (MSLA): El proceso de impresión MSLA ilumina selectivamente la resina sintética desde abajo con una pantalla LCD. La pantalla LCD forma una máscara para cada capa de impresión y así bloquea la luz ultravioleta en los lugares especificados. En lugar de un rayo láser que escanea las capas, las impresoras MSLA utilizan una fuente de luz ultravioleta de alto rendimiento.
• Sinterización selectiva por láser (SLS): Sobre la plancha de impresión se distribuyen diversos materiales en polvo y se funden mediante láser. Finalmente, el producto terminado debe liberarse del polvo circundante.
• Modelado por deposición fundida (FDM): El proceso de fusión de capas lleva el material a la plancha de impresión con una boquilla calentada, donde luego se solidifica.
• Fabricación de objetos luminosos: El material se construye capa por capa pegadas unas sobre otras y posteriormente se modela con una herramienta de corte (láser o cuchillo).
• Litografía axial computarizada (CAL): El proceso de impresión CAL proyecta luz en una resina líquida sensible a la luz, que luego se solidifica rápidamente. Este método permite fabricar objetos en el menor tiempo posible.

Estructura de una impresora 3D

Las impresoras 3D industriales tienen ciertos componentes básicos que se utilizan en función de la tecnología de impresión seleccionada.

Marcos de impresora 3D

El marco es la estructura de montaje básica para todos los componentes electrónicos y estructurales de la impresora 3D y también constituye la base para una impresión de alta calidad. Le da a la impresora estabilidad y estructura. Cuanto más fuerte y rígido sea el marco, mejores serán los resultados de la impresión. En las impresoras industriales, los marcos suelen estar hechos de aleaciones metálicas robustas para minimizar las vibraciones y garantizar una alta precisión de impresión. En MISUMI encontrará una amplia gama de componentes para marcos de alta calidad, como perfiles de diseño de aluminio, accesorios para guías lineales o placas angulares.

Ejes en impresoras 3D

Dentro de un espacio tridimensional fijo, la impresora 3D industrial debe poder llegar a todos los puntos para garantizar la impresión de todas las formas imaginables. Para ello existen los siguientes ejes:

• Eje X: Describe el camino horizontalmente de izquierda a derecha
• Eje Y: Describe el camino horizontalmente de adelante hacia atrás
• Eje Z: Describe el camino verticalmente de arriba a abajo

El cabezal de impresión se mueve a lo largo del eje X y del eje Y, por ejemplo mediante correas dentadas y motores paso a paso.

El movimiento vertical se realiza mediante un motor paso a paso. El movimiento giratorio se transmite mediante una correa dentada a un tornillo de potencia o a un tornillo. El trazo del eje Z determina el espesor de la capa de material aplicada.

La precisión de los distintos componentes de transferencia es decisiva para la calidad y la exactitud dimensional del objeto a imprimir.

Cabezal de impresión (extrusora) de impresoras 3D (FDM)

La extrusora transporta el filamento (material impreso) desde la fuente de materia prima, por ejemplo un rollo de filamento, a un bloque calefactor con calefacción y control de temperatura. Esta área también se llama hot end. El filamento licuado se transporta a través de este canal hasta la boquilla (boquilla) y se aplica a la plancha de impresión.

Existen diferentes tipos de transporte de filamento a través de la extrusora. Éstos son algunos de los tipos más comunes:

• Accionamiento directo (extrusora de accionamiento directo): Para este método, un motor introduce directamente el filamento en la extrusora, donde luego se transporta al bloque calefactor. El motor se encuentra muy cerca de la boquilla, lo que permite una aplicación del material más precisa. Este método se utiliza a menudo en impresoras 3D de escritorio.
• Extrusora Bowden: A diferencia del accionamiento directo, una extrusora Bowden no tiene el motor directamente en la extrusora. El filamento se transporta a la extrusora a través de un tubo flexible (tubo Bowden). Esto reduce el peso de la extrusora, lo que puede tener un efecto positivo en la calidad de impresión. Sin embargo, la precisión del transporte del filamento puede verse ligeramente afectada en este método.

Ambas variantes pueden equiparse con varios cabezales de impresión, de modo que se puedan procesar diferentes materiales y colores. Si la impresora 3D utiliza un polvo en lugar de un filamento, no se suelen utilizar extrusoras. En su lugar, se utilizan rollos para aplicar el material a la cama de impresión.

Cama de impresión (placa de construcción) en impresoras 3D

El objeto se construye capa por capa sobre la base de impresión. Se puede calentar para asegurar una mejor adhesión del material, evitar la deformación del material y lograr un acabado superficial mejorado. El material de la base de impresión también influye en la adherencia. En este caso son especialmente adecuadas las placas de vidrio, cerámica o aluminio fundido. También es posible facilitar la retirada del producto final mediante placas extraíbles.

Unidad de control en impresoras 3D

La unidad de control controla todo el proceso de impresión. También se puede utilizar para calibrar la impresora 3D. El proceso de calibración es de crucial importancia para evitar errores de impresión. Una cama de impresión desigual o boquillas mal ajustadas tienen una influencia significativa en la calidad del producto final.

La unidad de control debe interpretar la información del modelo digital 3D a partir de un archivo STL u otro formato de archivo. Para ello, la unidad de control utiliza un software de corte para dividir el modelo 3D en una secuencia de capas horizontales (cortes). Entre otras cosas, se obtiene información sobre la altura de la capa, el diámetro de la abertura de la boquilla (tamaño de la boquilla), los parámetros de impresión, la extrusión del material de impresión, las temperaturas y las trayectorias de las herramientas del cabezal de impresión, así como el código G resultante generado a partir de esto.

La unidad de control controla las unidades de la impresora 3D para mover con precisión el cabezal de impresión y la plataforma de impresión. Convierte los movimientos definidos en el código G, teniendo en cuenta la velocidad, aceleración y desaceleración.

La unidad de control controla la extrusora que calienta el material de impresión, como el filamento, y lo aplica uniformemente a la placa de construcción para garantizar que el material se distribuya uniformemente. La temperatura en la impresora 3D, la extrusora y los elementos calefactores se monitoriza y controla.

Por supuesto, la unidad de control supervisa el proceso de impresión para detectar errores e irregularidades y reacciona en consecuencia ante cualquier problema, como por ejemplo un atasco de material o un sobrecalentamiento.

Una interfaz gráfica de usuario (GUI) sirve como interfaz para que el usuario inicie el proceso de impresión, ajuste la configuración, controle la impresora y reciba mensajes de estado e interactúe en consecuencia. Esto se puede hacer con una pantalla o una pantalla táctil.

La unidad de control puede comunicarse con dispositivos externos a través de interfaces para recibir trabajos de impresión e intercambiar datos.

Ejes en impresoras 3D

Los ejes se utilizan como elemento de transmisión y como componentes guía para permitir el movimiento de componentes, material, cabezales de impresión y otros componentes importantes.

Cuando se utilizan ejes como elemento de transmisión, se transmite un movimiento desde la fuente de accionamiento al lado de salida. Esto se realiza en combinación, por ejemplo, con motores, poleas para correas trapezoidales y poleas de correas dentadas, correas, cadenas, acoplamientos, engranajes u otros elementos.

Algunas impresoras 3D utilizan husillos de bolas en lugar de guías de husillo convencionales. Los husillos de bolas son más precisos y tienen menos fricción que las guías de husillo convencionales. Esto conduce a una precisión de impresión aún mejor.

Como elementos guía, los ejes permiten el movimiento preciso del cabezal de impresión o de la plataforma de impresión en diferentes direcciones. Suelen ser cilíndricos y estar fabricados con materiales robustos para garantizar precisión y durabilidad. El eje suele ser liso y tiene una alta precisión superficial para permitir un movimiento con baja fricción. Para guiar el eje y permitir el movimiento, se montan rodamientos lineales especiales o guías lineales a lo largo del eje.

Correas dentadas en impresoras 3D

Las correas dentadas convierten el movimiento giratorio de los motores en movimiento lineal de las partes móviles de la impresora. Por ejemplo, los cabezales de impresión se mueven a lo largo del eje X y del eje Y. Desempeñan un papel decisivo en la velocidad y precisión del proceso de impresión. Un ajuste firme y una calidad impecable son cruciales. De lo contrario, pueden producirse reverberaciones que distorsionen el producto final. Las correas dentadas suelen estar fabricadas de materiales elastoméricos con refuerzos en los dientes para permitir una transmisión precisa de la fuerza.

MISUMI ofrece diferentes correas dentadas, ejes y otros accesorios para movimientos tanto lineales como rotativos. Tiene la garantía de encontrar un componente para su aplicación específica.

Motores en impresoras 3D

Los motores desempeñan un papel clave para mover y posicionar el cabezal de impresión o la plataforma de impresión. Existen diferentes tipos de motores utilizados en las impresoras 3D, cada uno de los cuales cumple tareas específicas. Estos son algunos de los motores más comunes que se encuentran en las impresoras 3D:

• Motores paso a paso: Estos mueven el cabezal de impresión y la base de impresión en pasos precisos a lo largo de los distintos ejes.
• Servomotores: Ofrecen alta velocidad y precisión y se utilizan cuando se requiere un control preciso.
• Motores de CC: Se utilizan, por ejemplo, para accionar rodillos.
• Motores de extrusora: Son los responsables de la extrusión del material de impresión.

La impresión 3D industrial utiliza las siguientes categorías de materiales: filamento, resinas y polvo. El filamento es una hebra larga y estrecha compuesta de varios plásticos, por ejemplo, PLA o nailon. Se enrolla en bobinas y se utiliza principalmente en el proceso de impresión FDM.

Para minimizar la visibilidad de las capas individuales cuando se utilizan materiales de filamentos, los parámetros se pueden ajustar en la configuración del software de corte. Puede ser necesario un acabado superficial posterior, como por ejemplo mediante esmerilado, relleno, recubrimiento, pintura o mediante diversos métodos de soldadura.

Los métodos de impresión a base de polvo permiten la producción de geometrías complejas y piezas funcionales. Como material se pueden utilizar, por ejemplo, polvos de metal, plástico o cerámica.

En el proceso de impresión con resinas se utilizan resinas líquidas que se endurecen bajo la influencia de luz ultravioleta o rayos láser para formar las capas de impresión.

Hay disponibles varios materiales de resina que ofrecen una variedad de propiedades, como dureza, flexibilidad, resistencia a la temperatura y transparencia. Este material es muy adecuado si el objeto impreso requiere precisión y detalles exactos.

Posibles usos de las impresoras 3D

En muy poco tiempo, la impresión 3D ha conquistado muchos ámbitos de nuestra vida, incluida la ingeniería mecánica, la construcción de máquinas personalizadas y la construcción de prototipos. La rapidez con la que se pueden fabricar los componentes es especialmente interesante para muchas empresas industriales. No solo se puede reducir el espacio de almacenamiento a largo plazo, sino que también se pueden abordar de forma proactiva las circunstancias cambiantes y las aplicaciones especiales.

El uso de impresoras 3D puede, en particular, acelerar el desarrollo de productos mediante la creación rápida de prototipos.

La capacidad de crear geometrías complejas permite que los diseños y las formas se adapten rápidamente a los conceptos actuales de I+D.

Esto permite identificar y solucionar errores de diseño y problemas antes de que comience la producción en masa.

En algunos casos, el prototipo en sí puede servir como modelo para la producción en masa, especialmente para la producción de lotes pequeños o productos individualizados.