TL;DR

El procés d'extrusió d'impressió 3D transforma un model digital tridimensional en una peça física acabada mitjançant la fusió d'un material termoplàstic, normalment un filament, i la seva deposició capa a capa a través d'una tovera escalfada. Aquest mètode de fabricació additiva, també conegut com a Modelat per deposició fusionada (FDM), implica preparar un fitxer digital, configurar l'impressora, el propi procés d'impressió automatitzat i, finalment, el postprocessat per perfeccionar la peça.

Comprendre el procés d'extrusió de material

L'extrusió de material és una tecnologia fonamental en el món de la impressió 3D, coneguda per la seva accessibilitat i versatilitat. Al seu nucli, el procés funciona d'una manera molt similar a una pistola de cola calenta robòtica. Un material termoplàstic sòlid, normalment en forma de fil continu embobinat en una bobina, s'alimenta a un capçal impresor escalfat. Allà, es fon fins a un estat semilíquid i es força —o extrudeix— a través d'una tovera fina. Un ordinador controla el moviment d'aquesta tovera, dibuixant la forma de cada capa de l'objecte sobre una plataforma de construcció.

Un cop finalitzada una capa, la plataforma de construcció baixa lleugerament i el capçal impressor comença a dipositar la següent capa sobre l'anterior. Cada capa fos fosa s'uneix a la que té a sota mentre es refreda i solidifica. Aquest procés de dipositació capa a capa continua fins que l'objecte sencer queda construït des del fons cap amunt. Aquest mètode és formalment una de les set categories principals de fabricació additiva i és àmpliament conegut pel terme comercialitzat Modelatge per Depòsit Fusat (FDM), primer comercialitzat per Stratasys.

Tot i que aquest procés s'associa habitualment amb plàstics com el PLA i l'ABS per a prototipatge ràpid i ús aficionat, formes especialitzades d'extrusió de materials també s'apliquen a altres materials, inclosos els metàl·lics. En sectors exigents com l'indústria automobilística, s'utilitza un procés de fabricació diferent anomenat extrusió d'alumini per crear components resistents i lleugers. Empreses com Shaoyi Metal Technology especialitzar-se en aquest àmbit, oferint serveis complets des del prototipatge fins a la producció a gran escala sota sistemes de qualitat estrictes com l'IATF 16949.

Components principals d'un sistema d'extrusió 3D

Per convertir amb èxit un fitxer digital en un objecte físic, una impressora 3D d'extrusió depèn de diversos components clau que treballen en harmonia. Comprendre les seves funcions és essencial per entendre com funciona tot el sistema. Aquestes parts gestionen tot, des de l'alimentació del material fins a la seva fusió i col·locació amb precisió.

El cor del sistema és el extrusor , que és responsable d'alimentar el filament a la impressora. Consisteix en un 'extrem fred' amb un motor i un mecanisme engranatge que subjecta el filament i el fa avançar, i un 'extrem calent' on es produeix la fusió. El hotend conté un bloc de calefacció i un termistor per mantenir una temperatura precisa, assegurant que el filament es fongui de manera uniforme per un flux suau a través de la boquilla. La qualitat de l'extrem calent és crucial per evitar bloquejos i aconseguir impressions de gran qualitat.

A continuació és el bocina , la punta petita per on s'expulsa el plàstic fos. El diàmetre de la boquilla és un paràmetre crític, ja que determina la resolució de la impressió. Una boquilla més petita pot produir detalls més fins, mentre que una de més gran pot imprimir més ràpid però amb menys detall. La filament és el material en si. És un termoplàstic subministrat en forma de bobina i existeix en diversos tipus, com ara PLA (fàcil d'imprimir), ABS (resistent i resistent a la calor) i PETG (un equilibri entre resistència i facilitat d'ús). Finalment, la plataforma d'impresió és la superfície plana on s'imprimeix l'objecte. En moltes màquines, aquesta plataforma està escalfada per millorar l'adherència de la primera capa i evitar que la peça es deformi en refredar-se.

El flux de treball: Des del disseny digital fins a l'objecte físic

El procés des d'un model 3D en una pantalla fins a una peça acabada tangible segueix un flux de treball clar i sistemàtic. Aquest procés tanca la bretxa entre el disseny digital i la realitat física mitjançant diverses fases diferenciades.

1. preparació del model 3D i tallat: El procés comença amb un model digital 3D, que es pot crear mitjançant programari CAD o descarregar d’un repositori en línia. Aquest model, normalment en format de fitxer STL, s’importa llavors a un programa especialitzat anomenat 'tallador' (slicer). El programari tallador converteix el model 3D en centenars o milers de capes fines i horitzontals i genera un fitxer amb instruccions per a la màquina, conegut com a codi G. Aquest codi determina cada moviment de la impressora, des del trajecte de la boquilla fins a la velocitat d'extrusió i la temperatura.
2. Configuració de la impressora i càrrega del material: Abans que es pugui començar a imprimir, cal preparar la impressora. Això implica carregar un carret de filament al extrusor, assegurar-se que la plataforma d'impressió estigui neta i ben nivellada, i preescalfar tant la tovera com el llit d'impressió a les temperatures adequades per al material concret que s'utilitzi. Una configuració correcta és fonamental per aconseguir una impressió exitosa, ja que problemes com una base desequilibrada poden fer que falli la primera capa, arruint tota la impressió.
3. El procés d'impressió en directe: Un cop carregat el G-code i preparada l'impresora, comença la impressió. L'impresora segueix meticulosament les instruccions, movent el capçal d'extrusió al llarg dels eixos X i Y per dipositar el filament fos. Després que cada capa està completada, el capçal d'impressió puja o la plataforma baixa al llarg de l'eix Z per fer espai a la següent capa. Aquest procés additiu es repeteix capa a capa fins que l'objecte estigui totalment format. Aquesta fase és gairebé completament automàtica i pot trigar des de minuts fins a moltes hores, depenent de la mida i la complexitat de l'objecte.
4. Refredament i retirada de peces: Un cop s'ha dipositat l'última capa, els escalfadors de la impressora s'apaguen i l'objecte ha de refredar-se. És important permetre que la peça i la plataforma de construcció es refredin gradualment per evitar deformacions o esquerdes degudes a l'estrès tèrmic. Un cop s'hagi refredat fins a la temperatura ambient, la peça acabada es pot extreure amb cura de la plataforma de construcció, sovint amb l'ajuda d'una espàtula o rascladora.

Postprocessat: refinació de la peça acabada

Una idea equivocada comuna sobre la impressió 3D és que una peça està completament acabada en el moment que surt de la placa de construcció. En realitat, la majoria de les impressions requereixen algun tipus de postprocessat per transformar-les d'un objecte cru a una peça polida i funcional. Aquesta etapa final és crucial per assolir l'aspecte, resistència i precisió dimensional desitjats. Els passos implicats poden anar des de neteja senzilla fins a tècniques de acabat més complexes.

El pas més bàsic de postprocessat és la retirada dels suports . Per a dissenys amb volades o ponts complexos, la impressora construeix estructures de suport temporals per evitar que el plàstic fos es deformi durant la impressió. Aquests suports s'han de trencar o tallar cuidadosament de la peça principal. Per a les impressores que utilitzen un material diferent i soluble en aigua per als suports, aquest procés pot ser tan senzill com dissoldre'ls en aigua. Tanmateix, per als suports estàndard fets del mateix material que la peça, la seva eliminació pot deixar petites imperfeccions que necessiten atenció addicional.

Per millorar l'acabat superficial i eliminar les línies de capa visibles característiques de la impressió FDM, esmerilat i polit són tècniques habituals. Començar amb paper de vidre de gruixos gruixuts i passar a gruixos més fins pot crear una superfície llisa i uniforme. Per a certs plàstics com l'ABS, un procés anomenat polit per vapor, que consisteix a exposar la peça a un vapor de dissolvent, pot fondre lleugerament la capa exterior per produir un aspecte brillant semblant al del motllat per injecció. Altres tècniques additives d'acabat inclouen pintar, aplicar un recobriment d'epòxi per augmentar la resistència i segellar la peça, o fins i tot soldar diverses peces impregnes juntes per crear muntatges més grans.

Preguntes freqüents

1. Què és el procés d'extrusió en la impressió 3D?

El procés d'extrusió en la impressió 3D consisteix a fer passar un material sòlid, normalment un filament plàstic, a través d'una tovera escalfada per tal de fondre'l. Aquest material fos es diposita llavors seguint un camí controlat, capa a capa, sobre una plataforma de construcció. Cada capa es fusiona amb la inferior quan es refreda, formant gradualment un objecte tridimensional basat en un model digital.

2. Què cal fer quan s'acaba una impressió 3D?

Quan s'acaba una impressió 3D, el primer pas és permetre que tant la peça com la plataforma d'impressió es refredin fins a la temperatura ambient per evitar deformacions. Un cop fredes, l'objecte es pot extreure amb cura de la plataforma. Després de la seva retirada, sovint calen passos de postprocessat, com ara eliminar estructures de suport, llisar la superfície per suavitzar les línies de capa o pintar per finalitats estètiques.

3. L'impressió 3D es considera extrusió?

No tota la impressió 3D és extrusió, però l'extrusió de material és un dels tipus més comuns de tecnologia d'impressió 3D. El terme impressió 3D, o fabricació additiva, engloba diversos processos diferents. L'extrusió de material, coneguda principalment com a modelatge per deposició fusionada (FDM), és una categoria específica dins de la impressió 3D on el material s'extrudeix a través d'una tovera per construir una peça.