Precisión, fiabilidad y tolerancia en la impresión 3D

El hecho de que las especificaciones de una impresora 3D indiquen que esta tiene una "alta resolución" no implica que las piezas que imprimas en 3D vayan a ser precisas o fiables.

Comprender el significado de términos como precisiónfiabilidad y tolerancia es esencial para obtener un rendimiento aceptable de la impresión 3D, sin importar la aplicación. En este artículo vamos a explicar qué significan estos términos y cómo interpretarlos en el contexto de la impresión 3D.


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Cómo lograr tolerancias limitadas con materiales para ingeniería sólidos

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*En inglés.


Definición de precisión, fiabilidad y tolerancia

Empecemos con las definiciones: ¿qué diferencias hay entre la precisión, la fiabilidad y la tolerancia? Vamos a hacer uso de una diana para explicar cada término (un ejemplo habitual para describir estos conceptos), de forma que puedas visualizar su significado.

Precisión

La precisión describe hasta qué punto una medición se acerca a su valor real. En el caso de una diana, el valor real es el blanco. Cuanto más te acerques al blanco, más preciso será tu tiro. En el mundo de la impresión 3D, el valor real se corresponde con las dimensiones de tu modelo en el programa de diseño asistido por ordenador (CAD). ¿Cuánto se acerca la pieza impresa en 3D a su diseño digital?

Fiabilidad

La fiabilidad mide la tasa de repetición de una medición: ¿cuántas veces logras dar en el mismo punto de la diana? La fiabilidad solo mide la sistematicidad: puede que siempre estés dándole a la misma zona de la diana, pero esta no tiene por qué ser el blanco. En la impresión 3D, esto se traduce en el grado de confianza de la impresora: ¿puedes confiar en que tu impresora produzca los mismos resultados para cada impresión?

En términos generales de ingeniería, la "fiabilidad" suele medir la tasa de repetición. A la hora de comparar materiales de impresión 3D, la "fiabilidad" se refiere a aquellos materiales que son capaces de imprimir geometrías con un alto grado de complejidad. Por ejemplo, las resinas Gray Pro Resin y Rigid Resin de Formlabs tienen un módulo no poscurado, o una rigidez, que les permite imprimir adecuadamente detalles pequeños e intrincados.

Tolerancia

¿Qué grado de fiabilidad necesitas obtener? La respuesta la define la tolerancia, un valor que a su vez defines tú mismo. ¿Cuánto espacio de maniobra quieres que tenga tu aplicación? ¿Qué grado de variación te parece aceptable en la exactitud de la medición que estás consiguiendo en cada repetición? Eso dependerá de tu proyecto: por ejemplo, un componente con un montaje mecánico dinámico requerirá tolerancias más limitadas que una carcasa sencilla de plástico.

Si defines una tolerancia, también querrás tener precisión, así que vamos a asumir que estamos midiendo la precisión de dar en el blanco de la diana. Antes hemos establecido que los tiros a la diana de las imágenes de la derecha no eran fiables.

Sin embargo, puede que no importe si tu rango de tolerancia es bastante amplio. Los tiros no están tan cerca los unos de los otros que los tiros de las dianas de la izquierda, pero si el rango aceptable de fiabilidad es de ±2,5 círculos, entonces estás dentro de los parámetros especificados.

Por lo general, alcanzar y mantener tolerancias más limitadas implica costes de fabricación más elevados y procesos de control de calidad.


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Optimización del diseño para crear ensamblajes funcionales en 3D

La tolerancia y el ajuste son conceptos esenciales que emplean los ingenieros para optimizar la funcionalidad de los conjuntos mecánicos y el coste de la producción. Utiliza este libro blanco como recurso para diseñar montajes funcionales impresos en 3D o como punto de partida para diseñar el ajuste entre las piezas impresas con las resinas Tough Resin o Durable Resin de Formlabs.


Cómo entender la precisión y la fiabilidad en la impresión 3D

Hay toda una gama de factores a considerar cuando se piensa en precisión y fiabilidad en la impresión 3D, pero también es importante identificar tus necesidades específicas.

Por ejemplo, puede que una impresora 3D fiable pero poco precisa sea la mejor opción para algunas aplicaciones. Una máquina de bajo coste de modelado por deposición fundida (FDM) producirá piezas menos precisas, pero para un profesor que quiera enseñar a sus alumnos cómo funciona la impresión 3D por primera vez, puede que no importe mucho que el modelo no sea exactamente igual al del programa de diseño asistido por ordenador (CAD) del alumno.

Sin embargo, para que la experiencia de impresión sea exitosa a veces hay que tener la certeza de que la impresora va a funcionar sistemáticamente según lo prometido y producir la calidad que se espera de ella, dentro del rango de tolerancias al que está acostumbrado el usuario.

Lee nuestra guía exhaustiva sobre las impresoras 3D FDM y SLA para aprender en qué se diferencian en cuanto a la calidad de impresión, materiales, aplicaciones, proceso de trabajo y costes, entre otros factores.

He aquí cuatro grandes factores que juegan un papel esencial a la hora de determinar la precisión y la fiabilidad de una impresora 3D:

Tecnología de impresión 3D

La impresión 3D es un proceso aditivo, por lo que las piezas se construyen capa a capa. Como consecuencia, cada capa introduce una oportunidad de crear una imprecisión. Además, el proceso mediante el que se forman las capas afecta a la fiabilidad, o la tasa de repetición, de la precisión de cada capa. Por ejemplo, la impresión 3D FDM utiliza una boquilla extrusora para crear las capas, pero carece del control y la capacidad necesarios para reproducir detalles complejos, a diferencia de otros procesos de impresión 3D.

Dado que las capas realizadas mediante FDM se fabrican por extrusión, las piezas finales pueden mostrar imprecisiones en torno a formas complejas. (Pieza impresa mediante FDM a la izquierda, pieza impresa mediante SLA a la derecha).

 En la impresión 3D por estereolitografía (SLA), un láser de alta precisión cura la resina líquida para formar cada capa. Se trata de un proceso que produce detalles mucho más precisos y que es más fiable a la hora de obtener resultados de alta calidad de manera sistemática.

De manera similar, la impresión 3D por sinterizado selectivo por láser (SLS) se basa en la fiabilidad de un láser para fundir partículas de nailon y convertirlas en piezas sólidas.

Las especificaciones de las impresoras 3D no representan la precisión dimensional final por sí mismas. Muchas veces se habla de la resolución XY como la precisión dimensional de varias tecnologías de impresión 3D, pero en realidad se trata de una mala interpretación.

En el caso de las impresoras por procesamiento digital de luz (DLP), la resolución XY se refiere al tamaño de píxel proyectado. Muchos sistemas de impresión 3D utilizan el tamaño de píxel proyectado, o resolución XY, para expresar la precisión en general a través de una cifra: por ejemplo, toman un tamaño de píxel proyectado de 75 micras y aseguran que la precisión de la máquina es de ±75 micras.

Consulta nuestra guía sobre impresión 3D SLA o DLP, en la que  explicamos los detalles de estos dos procesos de impresión 3D de resina y hablamos de sus diferencias.

Sin embargo, esta información no repercute en la precisión de la pieza impresa. Hay muchas fuentes de error que pueden tener un impacto en la precisión, desde los componentes hasta la calibración, pasando por los materiales y el posacabado, que son precisamente los temas de los que vamos a hablar a continuación.

Al final, el mejor modo de evaluar una impresora 3D es inspeccionar una pieza real.

Materiales

La precisión puede variar dependiendo de los materiales que utilices para imprimir y las propiedades mecánicas de dichos materiales, lo que también puede afectar al posible grado de deformación de una pieza.

La Rigid Resin de Formlabs tiene un módulo elevado antes del poscurado, lo que significa que es posible imprimir piezas muy delgadas con precisión y con una probabilidad menor de que se produzcan impresiones fallidas.

Como ya hemos dicho, todo depende de tu aplicación. Por ejemplo, en la impresión 3D para odontología, la precisión es esencial. Sin embargo, si vas a imprimir un modelo de concepto, puede que tu objetivo sea obtener una idea general de un producto físico, en cuyo caso la precisión no será tan importante.

Los márgenes, las superficies de los troqueles y los puntos de contacto impresos con la Model Resin para odontología de Formlabs tienen una precisión de ±35 con respecto al modelo digital en el 80 % de los puntos de la superficie cuando se imprime a 25 micras. La precisión global en el arco completo es de ±100 micras en más del 80 % de las superficies cuando se imprime a 25 o 50 micras.

Margins, die surfaces, and contact points printed in Formlabs Dental Model Resin are accurate within ±35 microns of the digital model over 80 percent of surface points when printed on 25 micron print settings. Global accuracy across a full arch is within ±100 microns over 80 percent of the surfaces when printed at 25 or 50 microns.

Poscurado

Muchas veces resulta necesario poscurar las piezas tras la impresión 3D, lo que provoca cierto grado de contracción. Se trata de algo normal en el caso de piezas producidas mediante procesos de impresión 3D SLA o DLP de resina y puede que se tenga que tener en cuenta en la fase de diseño dependiendo de la impresora. PreForm, el software de preparación de impresiones gratuito de Formlabs, compensa automáticamente el grado de contracción para asegurar que las piezas poscuradas ofrezcan una buena precisión dimensional en comparación con los diseños originales asistidos por ordenador (CAD).

¿Cómo funciona el poscurado? Aprende más acerca de la ciencia en la que se basa este proceso y encuentra técnicas efectivas para poscurar con éxito las piezas impresas en 3D por SLA.

Ecosistema

Producir con éxito una impresión 3D requiere prestar atención a algo más que la impresora y tener en cuenta todo el proceso.

El software de preparación de impresiones, los materiales y las herramientas de posacabado pueden contribuir a los resultados finales. Por lo general, los sistemas integrados están diseñados para funcionar de manera conjunta y producir resultados fiables.

La tolerancia en la impresión 3D

A diferencia del mecanizado, en el que las piezas se refinan para alcanzar de manera progresiva tolerancias más limitadas, la impresión 3D ofrece un único paso de producción automatizado. Si bien las superficies complejas elevan el coste de procesos como la fabricación mediante fresadoras de CNC, imprimir en 3D detalles complejos es prácticamente gratuito, si bien las tolerancias de una pieza impresa en 3D no se pueden refinar automáticamente más allá de lo que pueda producir una impresora sin recurrir a métodos de sustracción.

La impresión 3D es una opción excelente si tienes que reproducir detalles de gran complejidad, como socavados o superficies complicadas, y por lo general no necesita contar con una fiabilidad de la superficie mayor que ±0,005 in (mecanizado estándar). Las tolerancias que vayan más allá del mecanizado estándar requieren un proceso de sustracción, ya sea a través de un acabado manual o del mecanizado, tanto en piezas impresas en 3D como piezas producidas mediante CNC.

La impresión SLA ofrece la mayor tolerancia de todas las tecnologías de impresión 3D disponibles en el mercado. Si la comparamos con la precisión del mecanizado, podríamos decir que la tolerancia de la impresión 3D por SLA se sitúa entre la del mecanizado estándar y el mecanizado de precisión.

Por lo general, los materiales SLA más compatibles ofrecen una zona de tolerancia más amplia que los materiales más rígidos. A la hora de imprimir piezas específicas para conjuntos, diseñar tolerancias y ajustes adecuados reduce el tiempo de posacabado, facilita el ensamblaje y reduce el coste del material para las iteraciones.

Descubre más sobre las impresoras 3D

Hay cientos de atributos a considerar a la hora de evaluar impresoras 3D. ¿Necesitas que tus piezas sean isotrópicas? ¿Qué propiedades mecánicas (y, por lo tanto, materiales) requieren tus piezas? Una de las mejores maneras de empezar es ver piezas impresas reales. Elige una muestra gratuita de Formlabs en una variedad de materiales para comprobar la calidad de la impresión SLA de primera mano.