Precisión y Tolerancia en la Impresión 3D

La precisión y tolerancia de la impresión 3D, se rigen por completo de 4 conceptos, la tecnología o plataforma a usar, el material de impresión 3D, el diseño 3D y sobre todo, la expertiz de fabricar en 3D.

Este es el tercer artículo, de una serie que habla sobre todos los aspectos importantes de la calidad de una pieza impresa en 3D.

Para comenzar, hay que entender que la tecnología de impresión 3D no es tan madura como otras de fabricación, tan sólo lleva 30 años vs cientos de años que llevan otros métodos tradicionales de manufactura. Adicionalmente, en un proceso tradicional de manufactura, una pieza pasa por muchas etapas de validación, rectificación y ajustes, antes de ser liberada. En impresión 3D es un solo intento, por lo que la precisión puede verse afectada en ese sentido.

A diferencia de los métodos tradicionales, la impresión 3D no usa moldes o herramientas que ayudan a formar la pieza y que han sido rectificados por varios procesos asegurándose que las medidas son perfectas, si no que en cada fabricación se generan instrucciones de construcción que aproximan el modelo 3D a un mundo físico.

Las máquinas 3D, en un solo proceso, fabrican las piezas acercándose lo más posible al modelo 3D. Ese acercamiento, lo llamamos precisión. ¿Qué tan cerca o lejos estaremos de alcanzar las medidas de la pieza o modelo 3D en el mundo real?

La precisión es justo eso, la desviación numérica entre las dimensiones del modelo 3D y las dimensiones del objeto físico. Ya sean totales o correspondientes a alguna cota dentro del GD&T del modelo. Se da en cuestiones de posición, dimensión real y orientación.

¿Cómo se mide la precisión y tolerancia?

Esa precisión en impresión 3D se mide en desviación de milímetros o porcentual y se expresa de la siguiente manera +/- 0.5 mm o +/- 0.5% lo que sea mayor. Esa desviación se toma en todos los ejes y cotas de la pieza (ancho, largo, alto, perforación, etc).

Esto quiere decir que una pieza, que se va a fabricar con 3D, tendrá una desviación de 0.5 mm hacia arriba o abajo (más chica o grande) o su volumen total se verá con una diferencia del 5% sus medidas totales.

Para entender mejor, veamos un par de ejemplos donde la tolerancia y precisión en impresión 3D sea de 0.5 mm o 0.5%.

• Una pieza mide 10 mm en el modelo digital. Eso quiere decir que podría presentar una desviación de 0.5 mm a esos 10 mm o si usamos el porcentaje, serían 0.05 mm. En este caso, tomamos la mayor, 0.5 mm. La pieza podría medir entre 9.5 y 10.5 mm.
• Una pieza de 150 mm en el modelo digital. La desviación porcentual sería de 0.75 mm, mientras que la fija de la máquina es 0.5 mm. En este caso, tomamos la mayor, 0.75 y la pieza podría medir entre 149.25 y 150.75 mm.

Entre mayor es el tamaño de la pieza, mayor es la desviación que tendrá en sus dimensiones totales (x, y, z), pero sus dimensiones individuales, como perforaciones, ventanas, clips, etc, seguirán manteniendo una desviación menor. Las distancias entre partes, se aplica la misma regla.

Rango de precisión en impresión 3D

Dependerá completamente del modelo a fabricar, la máquina usada, el material y varios factores. Pero con la tecnología se pueden obtener precisiones tan cerradas como 0.01 mm hasta tan abiertas como 2 o 3 cm.

Factores que definen la precisión

Principalmente, la precisión será dada por la máquina y el material utilizado. Por ejemplo, una máquina de escritorio, aunque pudiera procesar el mismo material que una industrial, la industrial será 5 veces más precisa que la de escritorio.

Pero asumiendo que podemos controlar y unificar ese tema, por cómo funciona la tecnología en general, los 3 factores que definen la precisión son la malla del modelo 3D, la resolución de capa y la deformación de la pieza.

Malla y Modelo 3D.

Toda impresión 3D comienza con un modelo 3D que es transformado a una malla mediante el formato universal STL. El STL, es un archivo compuesto de miles o millones de triángulos que indican las posiciones X, Y, Z de cada elemento del modelo. Si tu abres un STL en un editor de texto, no es nada, mas que coordenadas. Esas coordenadas, son las que interpreta la impresora para fabricar.

Pero asumiendo que podemos controlar y unificar ese tema, por cómo funciona la tecnología en general, los 3 factores que definen la precisión son la malla del modelo 3D, la resolución de capa y la deformación de la pieza. Esa malla se obtiene de exportar un modelo 3D de su software nativo a un modelo teselar (conjunto de polígonos irregulares). Entre más fina sea la exportación del modelo, más pesado será el archivo, ya que existirán muchos más triángulos al cada uno de ellos ser más pequeño. Por el contrario, entre menos triángulo tenga, más ligero será el archivo 3D pero menor detalle tendrá.

Entre más triángulos tenga el modelo, mayor acercamiento tendremos al modelo 3D original y por lo tanto, la pieza fabricada será más fiel a las medidas y geometrías de la pieza diseñada.

Resolución de capa

Previamente hablamos sobre ellas, la altura de cada capa de construcción de una pieza 3D. Todos los elementos de la pieza, se verán afectados en el eje Z por este concepto, ya que la pieza se irá formando capa por capa.

El grosor de la capa podrá afectar por completo las dimensiones de los elementos de la pieza. Podrá generar desviaciones en dimensión y en forma, derivado a que la aproximación al modelo, estará sujeta por la altura de la capa.

Observa en el siguiente ejemplo, la diferencia de un círculo de 5 mm de diámetro al ser fabricado en el eje Z:

Observamos como, entre más fina la capa, más cercano es a su dimensión total. Entre más grande la capa, el círculo se ve ovalado y completamente desviado de su dimensión total.

Esto sucede con todos los elementos y estará sujeto a cuántas capas puedes fabricar en esa distancia. Ejemplo, 1 mm a una resolución de 0.3 mm, sólo podrá hacer 3 capas, dando un grosor de 0.9 mm, o bien 4 capas, pero el modelo se pasaría por 0.2 mm al tener 1.2 mm.

Por ello, el acomodo de la pieza al momento de imprimir y la selección de qué cara va orientada hacia que eje, es crucial en el momento de fabricar una pieza con partes de precisión.

Deformación

Toda pieza impresa en 3D sufrirá una deformación durante su construcción. Esa deformación va ligada completamente al material utilizado y a la geometría de la pieza. En inglés se conoce como warping.

La deformación en 3D, sin duda afecta la precisión y funcionalidad de la pieza fabricada. Esta deformación se da en su mayoría por un efecto de calor y enfriamiento, o bien por solidificación de un material líquido.

Todo material que es calentado se va a expandir, y al enfriarse, va a contraerse. Por ejemplo, uno de los plásticos más usados en 3D es el ABS y se contrae un 0.8% cuando se enfría. Un aluminio se contrae un 0.2% después de fabricado.

Esa contracción genera desviaciones geométricas totales en dimensiones, pero sobre todo genera deformaciones de la pieza. Paredes delgadas se ondulan, partes muy planas se deforman y curvean, haciendo que la pieza ya no sea plana. Y entre menos control de temperatura se tenga al fabricar la pieza, mayor será el efecto.

La manera de mitigar esto es completamente cambiando parámetros de impresión, haciendo menos densa la pieza, cambiando su orientación e incluso mejorando el diseño 3D.

Consideraciones finales de la precisión y tolerancia

La precisión y tolerancia en impresión 3D obedecen siempre la siguiente fórmula:

(Plataforma + Material + Diseño ) * Expertiz = Tolerancia y Precisión de la pieza.

• Plataforma: ¿Qué equipo de impresión 3D estás usando? ¿Qué tecnología? ¿Equipo industrial, o de escritorio?
• Material: La calidad del material es crucial. Materiales económicos, afectan mucho en la precisión.
• Diseño: Mediante el diseño se puede optimizar y prevenir muchas fallas en la impresión.
• Expertiz: Lo fundamental, saber qué tecnología, que material, que posición y como fabricar la pieza.