Explicación del diámetro de la boquilla y la altura de la capa.
El diámetro de la boquilla y la altura de la capa pueden afectar en gran medida la resolución, el tiempo de impresión y la apariencia de las piezas impresas en 3D. También están conectados entre sí de una manera importante.
Al imprimir piezas en una impresora 3D FDM, ajustar la altura de la capa es una de las formas más fáciles de lograr un equilibrio entre la calidad de impresión y el tiempo de impresión. En términos simples, las capas finas producen una mejor resolución del eje Z, mientras que las capas gruesas reducen el tiempo total de impresión.
Un parámetro de impresión del que menos se habla es el diámetro de la boquilla.
Debido a que la mayoría de las impresoras están equipadas con una boquilla de 0,4 mm como estándar, y debido a que este tipo de boquilla será suficiente para la mayoría de los trabajos de impresión, muchos usuarios nunca consideran cambiar su boquilla estándar por una con un diámetro más estrecho o más ancho. Pero hacerlo puede abrir nuevas posibilidades de impresión: las boquillas pequeñas pueden producir detalles mucho más finos en el plano XY, mientras que las grandes permiten velocidades de impresión más rápidas.
La relación entre la altura de la capa y el diámetro de la boquilla también es importante. Aunque los dos se pueden ajustar de forma independiente, la altura de la capa está determinada en parte por el tamaño de la boquilla instalada en la impresora, y puede ser útil tener en cuenta ambos parámetros a la vez.
Por lo tanto, si bien una altura de capa de 0,2 y un diámetro de boquilla de 0,4 podría ser su configuración preferida cuando se trata de impresión FDM, hay muchas razones por las que es posible que desee cambiar ambos parámetros. Este artículo examina esas razones mientras observa más de cerca las alturas de las capas, los diámetros de las boquillas y más.
Alturas de capa
¿Qué son la altura de la capa, el grosor de la capa y la resolución de la capa?
“Altura de la capa” es un término que se usa mucho en la impresión 3D FDM. Sin embargo, para los recién llegados, puede ser difícil visualizar cómo se construye una pieza en capas y cómo estas capas pueden variar en tamaño.
Para comprender la altura de la capa, es importante comprender que la mayoría de las impresoras 3D solo usan dos dimensiones cuando depositan material. Es decir, la impresora exprime el material en un patrón 2D en el plano XY (tal como lo hace una impresora de inyección de tinta en una hoja de papel). Pero lo que hace que una impresora 3D sea única es su capacidad para imprimir capas 2D adicionales encima de la primera, construyendo una pieza de esta manera capa por capa hasta que esté terminada.
La altura de la capa de impresión 3D, a veces conocida como grosor de capa, resolución de capa o resolución del eje Z, es una medida del grosor de cada capa de material extruido. Dado en milímetros o micras, muestra la resolución de la pieza a lo largo de su eje Z: las capas más delgadas permiten obtener más detalles.
La altura de la capa es un parámetro controlado por el usuario que se puede ajustar mediante el software de la impresora 3D, pero la altura mínima y máxima de la capa está limitada por aspectos físicos de la impresora, como el diámetro de la boquilla y los motores paso a paso que mueven el cabezal de impresión hacia arriba en Z- eje en incrementos fijos.
Cómo afecta la altura de la capa a la velocidad y al tiempo de impresión
La altura de la capa de una impresión tiene un efecto directo en el tiempo total de impresión. Una altura de capa inferior requiere un mayor número total de capas, y una impresión con más capas tarda más en imprimirse.
Podemos demostrar la conexión entre la altura de la capa y el tiempo de impresión con un ejemplo. Si un modelo 3D de un cubo mide 100 mm de altura y se imprime con una altura de capa de 0,1 mm, constará de 1000 capas en total. Esto significa que la impresora debe imprimir 1000 cuadrados bidimensionales uno encima del otro. Sin embargo, si la altura de la capa se establece en 0,4 mm, el cubo solo tendrá 250 capas en total y la impresora solo tendrá que imprimir 250 cuadrados, lo que le llevará aproximadamente ¼ del tiempo.
Técnicamente, la altura de la capa no afecta la velocidad de impresión, es decir, la velocidad a la que se mueve el cabezal de impresión a lo largo de los ejes X e Y, pero en la práctica podríamos decir que las alturas de capa más altas conducen a una impresión “más rápida” debido a la reducción del tiempo total de impresión.
Cómo afecta la altura de la capa a la calidad de impresión
Ajustar la altura de la capa de una impresora 3D es una forma de garantizar una alta calidad. Una altura de capa baja da como resultado una mejor resolución del eje Z, lo que es particularmente importante en objetos curvos: las capas gruesas son más visibles y producen un efecto “escalonado” en lugar de una curva natural. Para imprimir piezas a pequeña escala, piezas curvas o piezas con un alto nivel de detalle, generalmente es mejor usar una altura de capa baja.
Dicho esto, el uso de capas más delgadas en realidad puede tener un impacto negativo en la calidad de impresión al brindar más oportunidades para errores y artefactos. Algunos de los mayores problemas ocurren en la primera capa, ya que las capas delgadas requieren una calibración y una nivelación de la cama precisas. Sin embargo, este problema se puede resolver imprimiendo una primera capa más gruesa y capas posteriores más delgadas.
En algunos casos, la altura de la capa no afectará en absoluto la calidad de impresión. Las piezas con un perfil uniforme a lo largo del eje Z, o con lados rectos, no tendrán una diferencia notable en la resolución cuando se impriman con una altura de capa más alta. Para tales piezas, es mejor usar capas más gruesas, ya que se reducirá el tiempo de impresión sin sacrificar la calidad.
Cómo afecta la altura de la capa a la resistencia de la pieza
La altura de la capa de la impresora 3D puede afectar la resistencia de la pieza, pero la configuración tiene un impacto mucho mayor en la resolución y el tiempo de impresión. Los factores que afectan mucho más la resistencia de la pieza incluyen el material de impresión, la temperatura de impresión, la cantidad de perímetros y la configuración del relleno, en particular el patrón y la densidad del relleno.
Los investigadores han llegado a conclusiones contradictorias con respecto a la altura de las capas y la resistencia de las piezas. Un grupo llevó a cabo pruebas de flexión de flexión de tres puntos en piezas de PLA y analizó su mesoestructura con microscopía electrónica de barrido, observando que las alturas de capa más altas conducían a una resistencia reducida.[2] Sin embargo, otros han informado una mayor resistencia con capas más gruesas.
Cómo determinar la mejor altura de capa para la impresión 3D
En el proceso de impresión 3D FDM, las alturas de las capas suelen oscilar entre 0,05 mm y 0,4 mm. No existe una mejor altura de capa para la impresión 3D. Más bien, la altura óptima de la capa para una impresión determinada dependerá de factores como el tamaño de la pieza, el nivel de detalle, la apariencia de la superficie requerida, la forma de la pieza, el material, la priorización del tiempo de impresión frente a la calidad, las opciones de posprocesamiento y el diámetro de la boquilla. La elección de la altura de la capa suele implicar un equilibrio entre un factor y otro.
En general, una altura de capa más baja es mejor:
- Cuando el detalle, la resolución y la calidad de la pieza son una alta prioridad
- Cuando las superficies deben ser lisas
- Al imprimir piezas pequeñas e intrincadas
- Al imprimir piezas con lados curvos (para evitar líneas de capa visibles)
Por el contrario, una altura de capa más alta es mejor:
- Cuando un tiempo de impresión más corto es una prioridad
- Al imprimir piezas con lados rectos
- Cuando se pueden utilizar técnicas de post procesamiento como el suavizado para reducir la apariencia de las líneas de capa
Boquillas de impresora 3D
La boquilla de una impresora 3D es la parte del hotend por donde pasa el filamento fundido hacia el área de impresión. La boquilla de la impresora 3D es removible y viene en varios diámetros para producir líneas más delgadas o más gruesas.
Diámetros de boquilla
El diámetro interior estándar para una boquilla de impresora 3D FDM es de 0,4 mm. Sin embargo, las boquillas se pueden cambiar por otras de un tamaño diferente; las boquillas de diámetro pequeño son útiles para detalles finos en el plano XY, mientras que las boquillas de diámetro grande pueden depositar más material a la vez, lo que permite una impresión más rápida.
En el extremo inferior, el diámetro de boquilla más pequeño posible es de 0,1 mm, pero dichas boquillas pueden ser susceptibles a obstrucciones de material. En el otro extremo de la escala están las boquillas de hasta 2 mm de diámetro, que pueden depositar grandes cantidades de material muy rápidamente pero que requieren mucho calor.
Los diámetros de boquilla más comunes son:
Boquilla de 0,25 mm
La boquilla más común con una apertura más estrecha que la estándar de 0,4 mm es la boquilla de 0,25 mm (aunque también se pueden encontrar boquillas de 0,3 mm y 0,2 mm). Las boquillas más pequeñas permiten una mayor resolución en el plano XY y son ideales para imprimir características finas (en miniaturas, por ejemplo), texto en la parte superior de una pieza, voladizos y estructuras de soporte ultradelgadas que se pueden quitar fácilmente.
Sin embargo, imprimir con una boquilla de 0,25 mm tiene sus inconvenientes. La apertura más pequeña es más propensa a obstruirse, y la impresión de un volumen fijo de material lleva más tiempo que con una boquilla estándar de 0,4 mm. Además, es posible que los filamentos abrasivos, como los compuestos rellenos, no se impriman con un tamaño de boquilla pequeño, ya que los aditivos que no se derriten, como las partículas de cerámica, no pueden pasar fácilmente.
Boquilla de 0,4 mm
La boquilla de 0,4 mm es estándar para las impresoras FDM y es adecuada para una variedad de piezas impresas, ofreciendo un equilibrio entre detalle y tiempo de impresión.
Una ventaja obvia de usar la boquilla estándar de 0,4 mm es que la mayoría de los perfiles de impresión de corte predeterminados están configurados para ella y algunos materiales se desarrollan teniendo en cuenta una boquilla de este tipo, por lo que requiere un ajuste mínimo.
Boquilla de 0,6 mm
Ligeramente más ancha que una boquilla estándar, la boquilla de 0,6 mm sigue siendo adecuada para la mayoría de las impresiones, pero permite tiempos de impresión más cortos, ya que puede depositar una mayor cantidad de material a la vez. Es adecuado para piezas de mediana o gran escala sin detalles finos y puede reducir la probabilidad de obstrucciones, lo que podría facilitar el uso de una temperatura de impresión más baja.
El inconveniente de usar un diámetro de boquilla más grande es una resolución XY más baja, lo que lo hace menos adecuado para piezas pequeñas o muy detalladas, texto y logotipos en la parte superior de una impresión o estructuras de soporte insolubles.
Boquilla de 0,8 mm
Aunque los diámetros de las boquillas pueden ser tan anchos como 2 mm, un diámetro de 0,8 mm ofrece una impresión significativamente más rápida sin dejar de ser relativamente práctico y fácil de usar. Cualquier cosa por encima de 1 mm planteará desafíos.
Las ventajas de usar una boquilla más grande incluyen una deposición de material muy rápida y una resistencia extrema a la obstrucción. Tal boquilla es adecuada para piezas que requieren un nivel mínimo de detalle, y las capas serán muy visibles.
Materiales de boquilla
Una boquilla de impresora 3D es parte del hotend. No solo está expuesto a temperaturas muy altas, sino que debe retener activamente el calor para evitar que el filamento se solidifique a medida que pasa.
Esto significa que las boquillas deben estar hechas de metales termo conductores para que funcionen correctamente. Los materiales de las boquillas incluyen latón, acero inoxidable y acero endurecido, y las boquillas también pueden tener un recubrimiento de cobre o níquel.
Algunas boquillas se componen de componentes separados hechos de diferentes materiales. Estas se denominan boquillas ensambladas y, por lo general, tienen una superficie interna hecha de un material muy duro y un cuerpo hecho de un material más conductor del calor.
Latón
El material estándar para las boquillas de impresión 3D FDM es el latón, que es una aleación de cobre y zinc. Es adecuado para boquillas debido a su excelente conductividad térmica, calentándose a alta temperatura y manteniendo el filamento en un estado fluido.
Un inconveniente de las boquillas de latón es la escasa resistencia al desgaste. Altamente susceptibles a los rayones tanto por dentro como por fuera, las boquillas de latón solo deben usarse para materiales no abrasivos como PLA, PETG y ABS. Los materiales abrasivos causarán la degradación interna de la boquilla, lo que reducirá su capacidad para depositar material de manera constante.
Acero inoxidable
Más robusto que el latón, el acero inoxidable es un material de boquilla popular para los usuarios que trabajan con materiales ligeramente más abrasivos que PLA y ABS. Las boquillas de acero inoxidable también son adecuadas para producir piezas aptas para alimentos. Por otro lado, el acero es menos conductor que el latón y, por lo tanto, puede exigir una temperatura de impresión más alta para funcionar de manera efectiva.
Acero reforzado
El acero endurecido, el más resistente de los materiales comunes para boquillas, es adecuado para los materiales de impresión 3D más abrasivos, incluida la fibra de carbono y los compuestos con relleno cerámico. Las boquillas de acero endurecido tienen una larga vida útil, pero no son especialmente conductoras térmicas y pueden tener superficies internas más ásperas, lo que puede dar lugar a impresiones de menor calidad.
¿Cómo se relacionan la altura de la capa y el diámetro de la boquilla?
La altura de la capa y el diámetro de la boquilla son dos propiedades estrechamente relacionadas, ya que ambas se refieren a las dimensiones del material extruido.
La diferencia taxonómica entre la altura de la capa y el diámetro de la boquilla es que la altura de la capa es una configuración de impresión determinada por el usuario que se puede cambiar usando el software de corte de la impresora 3D para controlar el grosor de cada capa, mientras que el diámetro de la boquilla es un valor fijo que solo se puede cambiar quitando físicamente la boquilla y reemplazándola por una nueva. Es importante destacar que el diámetro de la boquilla determina los valores mínimo y máximo para la altura de la capa y otra configuración de impresión determinada por el usuario: el ancho de extrusión.
Diferencia práctica entre la altura de la capa y el diámetro de la boquilla
La diferencia práctica entre la altura de la capa y el diámetro de la boquilla es que la altura de la capa afecta principalmente al eje Z, mientras que el diámetro de la boquilla afecta principalmente a los ejes X e Y, y los dos parámetros se pueden ajustar (casi) de forma independiente. Una altura de capa más baja permite una mejor resolución del eje Z; una boquilla más pequeña permite una mejor resolución XY.
En la práctica, un usuario puede seleccionar una altura de capa mínima de alrededor del 25 % del diámetro de la boquilla (siempre que el valor resultante no sea inferior al incremento más pequeño posible para el motor paso a paso que controla el movimiento del eje Z, normalmente alrededor de 0,04 mm) y una altura máxima de capa de alrededor del 80% del diámetro de la boquilla. Como regla general, la altura estándar de la capa es alrededor del 50 % del diámetro de la boquilla (por ejemplo, 0,2 mm de altura de capa 0,4 boquilla). Diferentes alturas de capa producen diferentes resultados, como se muestra en la primera mitad del artículo.
Ancho de Extrusión
El ancho de extrusión, a veces llamado ancho de línea, se refiere al ancho de la línea de material extruido en los ejes X e Y. Se puede configurar entre el 60 y el 200 % del diámetro de la boquilla, pero la impresión funciona mejor cuando este valor se mantiene en el rango del 100 al 120 %. Para lograr líneas más finas o más gruesas, es mejor simplemente cambiar a una boquilla diferente.
| Diámetro de la boquilla (mm) | mín. altura de la capa (mm) | Altura de capa estándar (mm) | máx. altura de la capa (mm) |
| 0.25 | 0.06 | 0.13 | 0.2 |
| 0.4 | 0.1 | 0.2 | 0.32 |
| 0.6 | 0.15 | 0.3 | 0.48 |
| 0.8 | 0.2 | 0.4 | 0,64 |
Es importante tener en cuenta que, si bien el diámetro de la boquilla determina el rango de posibles alturas de capa, ese rango sigue siendo bastante amplio. Es posible utilizar una boquilla de diámetro pequeño (p. ej., 0,25 mm) para imprimir detalles muy finos en los ejes X e Y mientras se sigue utilizando una altura de capa relativamente alta (0,2 mm), por lo que la impresión no tarda horas y horas en completarse. Tal configuración podría ser preferible al imprimir un cubo de lados rectos con texto en la cara superior, por ejemplo.
Los investigadores han descubierto que una combinación de altura de capa baja y diámetro de boquilla pequeño conduce a un nivel bajo de rugosidad superficial y propiedades mecánicas mejoradas.
Conclusión
Familiarizarse con las alturas de las capas es una excelente manera de tomar el control de sus impresiones 3D. El ajuste de este parámetro de impresión clave le permite lograr el equilibrio adecuado entre la resolución de impresión del eje Z y el tiempo de impresión, lo que es útil para diferenciar entre prototipos rápidos y piezas más complejas. Y en algunos casos (piezas de lados rectos, por ejemplo), el uso de una altura de capa más alta ni siquiera reducirá la resolución.
Cambiar la boquilla es algo que no hará tan a menudo como ajustar la altura de la capa, pero esta también es una excelente manera de utilizar su impresora para diferentes proyectos. Las boquillas de diámetro pequeño pueden ofrecer un nivel excepcional de detalle en el plano XY, mientras que las boquillas más grandes son excelentes para imprimir rápidamente objetos grandes. Siempre que esté utilizando los materiales de impresión adecuados para el tipo de boquilla instalada en el hotend, jugar con el diámetro de la boquilla puede generar excelentes resultados.
Finalmente, es importante comprender que la altura de la capa depende solo parcialmente del diámetro de la boquilla. Si bien el diámetro de la boquilla determina el rango de alturas de capa y anchos de extrusión aceptables, los usuarios aún pueden elegir entre capas gruesas o delgadas para adaptarse al trabajo de impresión en cuestión.
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