Estamos constantemente rodeados de piezas y conjuntos unidos mediante uniones encajadas, que también se pueden denominar entrelazamientos o encastres. A medida que la impresión 3D se ha convertido en un método de fabricación para más sectores y aplicaciones, aprender a imprimir en 3D uniones encajadas ha pasado a ser una capacidad esencial.
Las uniones encajadas son ensambles que se basan en la fuerza de fricción entre dos componentes, y están compuestas por un saliente y la correspondiente depresión en la que encaja dicho saliente. A partir de ahí, la unión se mantendrá firme por la fricción y la forma de los dos elementos que encajan e impedirá que se separen específicamente en una dirección, al tiempo que lo permitirá cuando se aplique fuerza desde otras direcciones. Las uniones encajadas son muy comunes en aplicaciones con materiales muy rígidos, como la madera, aunque también es común imprimir estas uniones en 3D.
En cambio, los cierres a presión o uniones mediante presilla están diseñados para deformar ligeramente un elemento cuando el otro componente empuja más allá de su proyección y que el primer elemento vuelva a su posición original, bloqueando el componente de acoplamiento. Ya que los plásticos pueden deformarse repetidamente (mejor que un material como la madera), las uniones mediante presilla hechas de plástico e impresas en 3D son un método muy común para fabricar conjuntos de piezas.
Cómo diseñar uniones mediante presilla, elementos de encaje y más para el SLS
Shiden Yohannes, experto en diseño SLA y SLS de Formlabs, nos guía por el diseño de piezas con elementos de unión mediante presilla y nos explica cómo elegir el material y la tecnología de impresión 3D adecuados para una pieza funcional con cierre a presión.
Introducción a las piezas impresas en 3D encajadas
Hay muchos ejemplos de uniones encajadas y entrelazadas, desde los métodos más antiguos de construcción de cabañas de madera mediante el sistema de "poste y viga", pasando por la cota de malla, hasta ensamblajes de piezas en motores con componentes que giran y se mueven unos en relación con otros. Estos tipos de uniones ofrecen numerosas ventajas. Crear una unión encajada permite:
- Montar y desmontar fácilmente una estructura
- Crear sistemas que son más grandes que los componentes individuales disponibles
- Unir dos o más materiales o colores
- Optimizar un diseño o conjunto de piezas, reduciendo la necesidad de unir manualmente las piezas mediante tornillos, adhesivos, etc., al tiempo que se aumenta la resistencia
Imprimir en 3D uniones encajadas permite imprimir estos ensamblajes ya montados, a diferencia de los métodos tradicionales de fabricación de piezas encajadas, que deben crearse por separado y unirse después. En los ejemplos tradicionales, como una casa con entramado de madera, dos maderos grandes se biselan (se cortan en ángulo como transición entre dos caras) para que sus caras se toquen y luego se mantienen unidos mediante pernos o clavijas. Los métodos tradicionales de construcción en madera crean estos encajes con lo que se conoce como unión en inglete o junta biselada (más concretamente, una junta biselada con tope).
En la producción tradicional de cotas de malla, cada uno de los eslabones abiertos se unen al anillo anterior de la secuencia y luego se sueldan laboriosamente para cerrarlos. Aunque no hay mucha necesidad de armaduras tradicionales en los tiempos que corren, la impresión 3D de eslabones de cadenas y piezas grandes de malla para el prototipado o la moda es una forma más fácil y rápida de fabricar.
La impresión 3D de uniones encajadas ofrece muchas ventajas para el diseño de productos de gran tamaño o conjuntos de piezas complejos. Una de sus principales ventajas es que hay algunos elementos de encaje que no pueden fabricarse de otra manera. Por ejemplo, en algunos diseños de piezas encajadas, los rebajes a los que se fija un saliente, pestaña o aleta no pueden mecanizarse ni moldearse. En el siguiente ejemplo, el elemento de encaje solo puede imprimirse en 3D.
Imprimir en 3D piezas con uniones que encajan entre sí es fácil una vez que se entienden unos cuantos principios básicos de diseño y cómo elegir la impresora 3D y el material adecuados para tu proyecto específico.
Tipos comunes de uniones encajadas
Uniones de pieza de puzle, de rompecabezas o de ranura y lengüeta
Entre los tipos de uniones de ranura y lengüeta, hay uniones en "T", en "I", o uniones en "I" con aletas o pestañas.
Son ideales para la impresión 3D a nivel de aficionado y para uniones con una estética de "puzle" o para el prototipado de productos de consumo.
Juntas de cola de milano
La unión simple más popular para crear y extruir en software CAD. Ideal para piezas impresas 3D mediante SLA con bordes afilados y superficies lisas.
Unión de chaveta
No es ideal para la impresión 3D, ya que cuantas más piezas haya, más posibilidades hay de que las tolerancias varíen de una cara a otra.
Junta de peine o junta dentada
Los bordes en peine son finos y propensos a romperse, por lo que no son ideales para la impresión 3D.
Ensamblajes de espiga
En ciertas impresoras de bajo presupuesto, como las de FDM, un efecto de escalonamiento o de líneas de capa podría dificultar conseguir uniones de espiga perfectamente redondas. Cada tipo de tecnología requiere cierto nivel de posacabado.
Unión en inglete
Buena para la impresión 3D. Las piezas más grandes y voluminosas necesitarán una tolerancia mayor, de 0,4 mm.
Eslabones de cadena
Ideal para fabricar mediante impresión 3D, el método más rentable de hacerlos. Los eslabones de la cadena pueden imprimirse ya enganchados con estructuras de soporte o polvo circundante que mantengan cada eslabón separado de su vecino durante el proceso de impresión para evitar que se fundan, curen o sintericen formando un solo objeto.
Cómo elegir la tecnología adecuada para la impresión 3D de piezas encajadas
Las impresoras 3D de modelado por deposición fundida (FDM), estereolitografía (SLA) y sinterizado selectivo por láser (SLS) pueden utilizarse para crear piezas encajadas, aunque elegir un tipo por encima de los demás tiene sus ventajas.
Un factor importante en la impresión 3D de piezas encajadas es la tolerancia: las variaciones permitidas en una dimensión determinada. Para las piezas encajadas moldeadas por inyección, las tolerancias suelen ser de 0,1 mm. En la impresión 3D, sin embargo, hay más factores en juego. El calor utilizado para extruir, curar o sinterizar el plástico puede provocar que se contraiga la unión encajada, o un agente aglutinante puede añadir volumen, provocando que las dimensiones sean mayores de lo previsto. Sin embargo, como algunas impresoras 3D pueden imprimir las piezas ya unidas, siguen ofreciendo ventajas considerables respecto al moldeo por inyección de dos piezas que se unen después mediante un elemento de encaje.
Idoneidad de las tecnologías para imprimir en 3D piezas encajadas
| Tolerancias necesarias | Ventajas para la impresión 3D de piezas encajadas | Desventajas para la impresión 3D de piezas encajadas | |
|---|---|---|---|
| FDM | 0,5 mm | Económico para prototipos rápidos de comprobación de forma | Impresiones anisotrópicas con líneas de capa, las piezas pueden romperse si se ven sometidas a fuerzas de cizallamiento |
| SLA | 0,2 mm | Piezas isotrópicas, gran variabilidad de materiales | Menor resistencia funcional que el SLS |
| SLS | 0,2 mm | Piezas autosostenibles, resistencia funcional, tolerancias ajustadas, piezas isotrópicas en su mayoría | Una superficie más áspera o rugosa puede añadir fricción adicional en la unión |
Las tecnologías SLS y SLA son las mejores para la impresión 3D de piezas encajadas. Sus tolerancias ajustadas y la variedad de propiedades mecánicas que ofrecen permiten imprimir en 3D conjuntos de piezas resistentes con uniones encajadas que encajan perfectamente y con firmeza.
SLA
SLS
Tolerancia mínima de ensamblaje
Recomendada: 0,4 mm/400 micras
Elementos de menos de 20 mm2 : 0,2 mm
Elementos de más de 20 mm2 : 0,4 mm
Espacio libre de ensamblaje integrado
No se recomienda porque la resina líquida que queda entre las piezas impresas puede ser difícil de limpiar sin un drenaje adecuado.
Elementos de menos de 20 mm2 : 0,3 mm
Elementos de más de 20 mm2 : 0,6 mm
Consideraciones para el diseño de uniones encajadas impresas en 3D
Espacios libres
Lo más importante que hay que tener en cuenta al diseñar uniones encajadas impresas en 3D es mantener unos espacios libres precisos. El espacio libre de una unión es la cantidad de espacio que queda entre los dos componentes de esa unión. Una unión encajada impresa en 3D que esté correctamente diseñada tendrá un espacio libre adecuado para poder ensamblarse fácilmente sin demasiada fuerza, sin que quede demasiado suelta y, por lo tanto, sea inútil.
Tolerancias
El espacio libre entre los dos componentes tiene que ajustarse a las tolerancias de la impresora y el material. Por eso, el espacio libre de una unión encajada impresa en 3D mediante FDM tiene que ser mayor que el de una unión impresa en 3D mediante SLA o SLS, ya que la impresora FDM tiene más variabilidad dimensional.
Cómo diseñar uniones mediante presilla, elementos de encaje y más para el SLS
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 conjuntos funcionales impresos en 3D o como punto de partida para diseñar el ajuste entre las piezas impresas.
Elección de materiales
Otra consideración para la impresión 3D de piezas encajadas es el material que se va a utilizar: cuánta rigidez tiene, el coeficiente de fricción y si se posacabará para hacerlo más liso.
Las impresoras SLA como la Form 4 y la Form 4L de Formlabs ofrecen diversas propiedades en sus materiales, que abarcan desde elastómeros muy blandos y flexibles como la Elastic 50A Resin o la Silicone 40A Resin hasta opciones extremadamente rígidas como la Rigid 10K Resin o la High Temp Resin. Según la función que se le vaya a dar a la unión, se puede elegir una resina que la mantenga inmóvil o que permita un ligero movimiento y un desmontaje fácil de la unión.
Las impresoras 3D SLS, como las de la serie Fuse de Formlabs, tienen la ventaja de utilizar plásticos establecidos en la industria, como el nylon y el TPU. Gracias a la resistencia de estos materiales y a que no sean necesarios soportes para crear elementos complejos con voladizos, rebajes, canales y aletas, la impresión 3D SLS es quizás el método más idóneo para crear conjuntos de piezas encajadas.
Otra posible solución para la impresión 3D de uniones encajadas es combinar varios tipos de uniones encajadas y elementos de encaje impresos en 3D. Aquí se puedes ver un tornillo de banco impreso en 3D ya totalmente ensamblado en la impresora 3D SLS Fuse 1+ 30W con el Nylon 12 Powder y en la Form 4 utilizando la Elastic 50A Resin para las mordazas lisas.
Fuerzas que actúan sobre una unión encajada impresa en 3D
Las uniones encajadas están diseñadas para mantener unidas las piezas contra las fuerzas que actúan sobre ellas, que pueden ser la gravedad o la energía activa que separa las dos piezas (por ejemplo, un eslabón de cadena podría estar sujetando un peso a una fijación, actuando contra la gravedad, o bien, un eslabón de cadena podría estar manteniendo unidos dos vagones de tren, que tiran el uno del otro en direcciones opuestas). Aunque estas fuerzas pueden clasificarse por su fuente de energía, como la gravedad, nosotros las clasificamos según el tipo o dirección del esfuerzo que ejercen sobre la unión en sí misma.
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Fricción: La fuerza principal que mantiene unida una de estas uniones. Si reduces los espacios libres y ajustas las tolerancias, aumentarás la fricción y la unión encajada se mantendrá más unida.
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Tensión: La fuerza principal que actúa contra tu unión, intentando separarla.
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Cizallamiento: La fuerza secundaria que actúa perpendicularmente a la dirección de la tensión, una fuerza de desgarro lateral.
Guía paso a paso para diseñar uniones encajadas impresas en 3D
Sujeción con guía de Nylon 12 Powder: Anillo de encaje
Para diseñar este anillo de encaje:
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Designa tu espacio de trabajo general (la zona específica de la pieza donde estará la unión).
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Crea un lado de tu elemento de encaje y elige un ángulo para el recorte que tenga sentido para tu pieza impresa: aquí elegimos un ángulo de 65 grados.
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Haz una copia reflejada de tu recorte en el otro lado de la interfaz.
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Deja un margen para tu recorte. Elige 0,2 mm para piezas pequeñas y 0,4 mm para piezas grandes. Esto te dará la tolerancia de la unión para que pueda imprimirse limpiamente.
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Cierra el contorno formado por la línea del recorte y su margen para obtener el recorte que puedes extruir a través de tu pieza.
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Ajusta tu unión para asegurarte de que la extrusión queda alineada a través de la pieza.
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Reproduce el patrón de la unión que has creado en otras partes de tu pieza, de modo que puedas separar la pieza grande en varias piezas más pequeñas para que la impresión y la compactación sean más fáciles y más eficientes.
Esfera encadenada de Nylon 12 Powder:
Para diseñar esta esfera de anillos encadenados:
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Esboza un anillo sencillo (puedes crear anillos de tamaño arbitrario y luego escalarlos a un tamaño adecuado en PreForm).
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Coloca un anillo en horizontal.
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Haz que tu siguiente modelo de anillo sea igual que el primero con la función de patrón, colócalo al lado del primero y arrastra el segundo anillo para que quede encadenado con el primero, dejando una distancia mínima de 0,2 mm entre sus superficies.
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Elige ambos anillos y usa la función de patrón otra vez para multiplicarlos, encadenando los cuatro anillos resultantes y continuando la construcción hacia arriba y hacia los lados.
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Sigue multiplicando con la función de patrón hasta crear una esfera cerrada de anillos.
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Importa el modelo en PreForm y escálalo al tamaño deseado, duplícalo y agrupa los modelos verticalmente si es necesario para imprimir cantidades mayores de piezas.
Soporte de tableta de Nylon 12 Powder
Para diseñar este soporte de tableta para un organizador de tabletas de una sala de conferencias:
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Importa las medidas de tu dispositivo: longitud, anchura, altura y profundidad. Introduce estas medidas en tu boceto y podrás ver las dimensiones totales del dispositivo. Mueve las medidas si estorban para poder ver mejor.
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Añade espacio para tolerancias. Con la Fuse 1+ 30W, una tolerancia de 0,2 mm es buena para piezas delgadas y poco voluminosas como esta. Dejar menos espacio para las tolerancias hará que esta pieza sea más de ajuste a presión, lo que hará que desmontarla sea más difícil.
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Haz un nuevo boceto en la cara superior. Crea un lado y luego haz una copia reflejada para crear el lado opuesto. Crea una unión encajada con una junta de cola de milano sencilla. Extruye tu boceto.
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Asegúrate de que el espacio que has creado (la tolerancia) recorre toda la unión.
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Determina si tu impresión va a estar diseñada para que las piezas se deslicen entre sí hasta encajar o si se van a pegar con un adhesivo. Si se van a pegar, utiliza un cianoacrilato o una resina epoxi de dos componentes. Aplica bien el adhesivo, ya que una pequeña cantidad de él será absorbida por la superficie.
Impresión 3D de piezas y conjuntos encajados
Como se muestra en nuestros ejemplos, diseñar elementos de encaje simples para la impresión 3D puede ser bastante fácil. Lo principal que hay que tener en cuenta al diseñar uniones encajadas para impresión 3D es la tolerancia de la tecnología de impresión 3D y el material, y considerar qué tipo de pieza se va a imprimir, si es muy grande y voluminosa o más pequeña y delgada. Estas consideraciones afectarán a tus tolerancias, aunque tanto la SLA como el SLS de Formlabs tienen tolerancias ajustadas y una precisión alta y repetible, y podrás ajustar tu diseño en consecuencia.
Para las piezas más pequeñas y delgadas, puedes utilizar una tolerancia de 0,2 mm al diseñar conjuntos de varias piezas con uniones encajadas. Para conjuntos más grandes y voluminosos, conviene aumentar un poco las tolerancias, hasta los 0,4 mm.
La impresora SLS de Formlabs Fuse 1+ 30W es ideal para imprimir uniones encajadas que se imprimen ya unidas, como la esfera encadenada del segundo ejemplo. Puedes imprimir anillos entrelazados de material sin soportes y puedes posacabarlos fácilmente en la Fuse Blast, sin que haga falta trabajo manual para eliminar el polvo no sinterizado de entre los anillos.
Las impresoras SLA de Formlabs, como la Form 4 y la Form 4L, son buenas para imprimir piezas con bordes extremadamente afilados y superficies lisas, lo que resulta útil para piezas que deben deslizarse entre sí y quedar unidas con una fricción mínima.
Para saber más acerca de las impresoras 3D SLA y SLS de Formlabs, visita nuestra página web. Puedes recibir gratis una pieza de muestra con elementos de encaje impresa en 3D mediante SLA o SLS, solicitando una muestra en nuestro sitio web.
