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Estudio:Efectos del porcentaje de relleno, espesor de la capa y patrón de relleno en la impresión 3D

*Este artículo fue traducido de aqui ​​​​*El articulo original es de my3dmatter.com origial aqui con fecha 10 de marzo 2015

El relleno, patrón de relleno y cantidad de capas exteriores influyen en la resistencia, calidad y costo de una pieza impresa en 3D

Mejorar el rendimiento mecánico de una parte impresa viene a menudo a expensas de la velocidad de impresión, el costo y la calidad. En este estudio cuantificamos el impacto de diferentes parámetros y trataremos de ayudar a los usuarios a elegir la configuración óptima, aclarando las ventajas y desventajas que el usuario puede enfrentar. Nosotros proveemos las configuraciones que elegimos dependiendo de los requerimientos de la aplicación.


Los parámetros que evaluaremos son el porcentaje de relleno, espesor de la capa y el patrón de relleno. En este estudio entregamos una detallada descripción sobre la influencia que estos parámetros tienen en su punto de máximo stress, punto de quiebre en la elongación, rigidez y el stress de rendimiento (yield stress).


Descubrimientos clave


Para resumir mejor la gran cantidad de datos que reunimos, presentamos al usuario la tabla de las configuraciones preferidas que elegiríamos dependiendo de los requerimientos de la aplicación. Tu impresora necesita fuerza o calidad?, Estas tratando de reducir los costos o tratando de ahorrar tiempo? O es –como a menudo es así- una combinación de estos requerimientos?


Requerimientos Técnicos para Imprimir en 3D

Estas conclusiones están basadas en nuestra interpretación en términos medios en las siguientes tablas:


Las tablas de Fuerza (Strenght), Velocidad (Speed) y Costos (Costs) fueron extrapoladas desde los test mecánicos que hicimos:

  • La Fuerza corresponde al máximo stress que el modelo puede soportar antes de que se rompa.

  • La Velocidad describe el tiempo de impresión del modelo.

  • El Costo es derivado desde el peso exacto del modelo y supone unos 30 Euros/Kg.

  • La Calidad se relaciona con los aspectos generales de las partes imprimidas basándose en el espesor de la capa. La calidad no es el centro de este estudio, pero la relación entre la calidad y el espesor de la capa generalmente es aceptada.

Un análisis mucho más detallado de las pruebas mecánicas es reportado en el resto del estudio. En particular, vemos que el quiebre en la elongación es menor alrededor del 90% de relleno, lo cual no es necesariamente intuitivo. Aunque el quiebre en la elongación no es parte de los requerimientos en las tablas arriba, puede influir en la decisión del usuario sobre las configuraciones que elegirá.

El otro descubrimiento clave que observamos es el patrón de relleno. Vimos que generalmente el mejor patrón para usar son lineales o diagonales (=inclinación linear 45°).

Ciertamente patrones decorativos como “Morrocan stars” y “Catfill show” carentes de rendimiento deberían ser solamente usados si son expuestos y son parte del dibujo (design). El verdadero debate era entre Linear, Diagonal y Hexagonal (panal de abejas).

  • Con un bajo % de relleno, vimos que las tres son bastantes equivalentes. Dado que Hexagonal es más exigente en las impresiones (más cambios direccionales), nosotros aconsejamos usar Linear o Diagonal.

  • Con un alto % de relleno, Hexagonal es prácticamente lo mismo que Linear y por lo tanto la discusión es entre Linear y Diagonal. Notamos que Diagonal es ~10% más fuerte que Linear.

Finalmente hicimos un test sobre la anisotropía de una parte de un modelo 3D: esto quiere decir que las partes impresas en 3D son más débiles a lo largo del eje Z que a lo largo de los ejes X e Y. Vimos que estas partes eran desde un 20% a un 30% más débiles en el eje Z y en el quiebre en la elongación es cerca de la mitad


Acerca del procedimiento del test

Para cada modelo que testeamos, medimos las siguientes propiedades mecánicas:

  • Tensión Máxima (Max stress)

  • Quiebre en la elongación (Elongation at break)

  • Rigidez (Young Modulus)

  • Límite elástico (Yield stress)

El material usado es PLA y la tecnología de impresión es FDM (Fused Deposition Modeling). Los tres parámetros que estudiamos son:

  • Porcentaje de relleno: % del objeto que es rellenado con material.

  • Espesor de la capa: espesor de cada a capa que constituye el objeto

  • Patrón de relleno: el tipo de patrón en el relleno.

Desarrollamos el test de extensibilidad con una maquina universal para pruebas, al PIMM Laboratorio del “Arts et Métiers Paristech”. Juntamos los resultados y decidimos mostrar las tablas y los gráficos que creemos son más relevantes.

Las características del PLA son bien conocidas cuando es formado con molde de inyección. El objetivo de este estudio es entender mejor su comportamiento una vez imprimido con la técnica FDM. Para dar puntos de comparación estas son las características del molde a inyección de PLA:

  • Fuerza [MPa] 40-70

  • Quiebre en la elongación 4%-6%

  • Rigidez [GPa] 2-4

Resultados detallados: Test de porcentaje de relleno

Imprimimos modelos con los siguientes % de relleno: 10, 30, 50, 70, 90 y 100%. Los otros parámetros de impresión son:​​

  • Impresora: Makerbot Replicator

  • Velocidad: 60 mm/s

  • Espesor de la capa: 0,20 mm

  • Temperatura: 195°C

  • Patrón de relleno: Linear

  • Muros exteriores: 2

Testamos tres modelos para % de relleno diferentes.

  • Consideraciones de la fuerza


Resistencia vs Porcentaje de relleno

Como era de esperarse, la fuerza del modelo aumentaba con el porcentaje de relleno, desde 10 MPa con 10% hasta 46 MPa con un 100%. Sin embargo, es interesante notar que la evolución no es linear: la fuerza adquirida por cada porcentaje de relleno también aumentó.

Para decirlo de otra forma, reduciendo el relleno desde 100% la resistencia disminuye cada vez menos.

Aumentar el porcentaje de relleno significa usar más material (mayores costos) y más tiempo de impresión. Esto tiene varias consecuencias interesantes en los índices [fuerza/velocidad] y [fuerza/peso]











El gráfico a la derecha muestra que el rango desde 30% y 50% es menos eficiente en ambos: puntos de vista de costos (uso de material) y en el tiempo de impresión, dado que tienen los índices más bajos.


Punto de quiebre en la elongación


El resultado más sorprendente probablemente radica en este test. El quiebre en la elongación es notablemente constante alrededor de 2,8% excepto con 90% de relleno donde cae a un 2,0%. Comprobamos que no hubo errores por testar otra tanda de 2 modelos con % de relleno de 80, 90, y 100% y los resultados son los siguientes:


Nuestra hipótesis es la siguiente:

  • Para rellenos inferiores al 80%, los filamentos de PLA extruidos que constituyen cada capa (los llamaremos “filamentos”) no se tocan entre ello a lo largo de los ejes del modelo: hay claros espacios en la malla. Por lo tanto los filamentos pueden elongarse en paralelo en la misma cantidad antes de romperse, independientemente del % de relleno.

  • Para relleno alrededor de 90%, los filamentos tocan y forman un material 3D continuo, pero es poroso porque hay muchos espacios de aire en ello (~10% de los modelos). En este caso, el estrés se concentra alrededor de las áreas del espacio. El espacio se comporta como un defecto que se expande para finalmente unirse y romperse, pero conduce a un menor quiebre en elongación. Este parece ser confirmado por hecho de que el quiebre es sesgado por el 90%, mientras es recto desde 70% hasta 100% (ver imágenes abajo)

  • Para el 100% de relleno, los filamentos plásticos también se tocan pero hay (por poco) casi ningún espacio de aire en el material. Por lo tanto la deformación del plástico ya no es localizada y el modelo entero se comporta como un filamento plástico individual. Por lo tanto encontramos el mismo quiebre en la elongación como en el caso donde el filamento se elonga en paralelo (bajo el 80%)


Este punto requiere un análisis más profundo para confirmar nuestra hipótesis.

Límite elástico

El Límite elástico crece desde 8 MPa al 10% de relleno hasta 28 MPa al 90% de relleno, antes de descender a 23 MPa al 100% de relleno. El hecho de que el límite elástico es mayor al 90% en vez de 100% de relleno está en línea con nuestra hipótesis en el quiebre en la elongación: el estrés es localizado alrededor de los espacios de aire al 90% por lo tanto en el nivel macro, el material cede a un mayor estrés.

Rigidez

Ya que el modelo es poroso (excepto al 100%) hay dos maneras de calcular o medir la rigidez:

  • Podemos contar el espacio al interior como parte del material y calcular la rigidez dividiendo el corte transversal.

  • O podemos ajustar el cálculo multiplicando el área del corte transversal por el porcentaje de relleno.

La curva no ajustaba, muestra una positiva y linear relación entre el porcentaje de relleno y la rigidez. Entonces, la curva ajustada es sobre todo constante alrededor de 3,0 GPa, justo en el rango de rigidez del PLA, excepto cuando nos acercamos al 0% de relleno, porque entonces el peso y el rol de los muros exteriores se vuelve significante, entonces el ajuste del % de relleno no es exacto.


Resultados detallados: Test de Espesor de capa


Imprimimos el modelo con cinco diferentes espesores de capa (en mm): 0.10, 0.15, 0.20, 0.25 y 0.30. Los otros parámetros de impresión son:


Impresora: Makerbot Replicator

  • Velocidad: 60mm/s

  • Porcentaje de Relleno: 80%

  • Temperatura: 210°C

  • Patrón de relleno: Linear

  • Muros exteriores: 2

Testeamos tres modelos para cada espesor de capa:


Consideraciones sobre la fuerza


El espesor de la capa influye en la fuerza de una parte impresa cuando esta se vuelve delgada. Una parte impresa a 0.1 mm muestra máximo stress a solo 29MPa, opuestamente a los 35MPa para 0.2mm (aumento del 21%).

Después de los 0.2mm, la máxima tensión queda más o menos constantes alrededor de 36 MPa (acertamos esta conclusión con un test extra con 0.4mm, no mostrado aquí porque no era parte de la misma tanda).


La curva tención máxima vs peso (max stress/weight) es estable desde 4.7 MPa/g a los 0.1mm y desde 5.6MPa/g a los 0.3 mm. En teoría debería mostrar la misma evolución que los números absolutos, porque un relleno constante debería estar ligado a un peso constante a pesar del espesor de la capa. Pero en la práctica -3D Matter pesa todo los modelos- y el software Replicator agrega meno material en la capa más baja, como por ejemplo 0.1 mm y 0.15mm.


El otro resultado no es sorprendente: se demora más para imprimir las capas más bajas, por lo que  la tensión máxima divida por el tiempo de impresión muestra una curva linear. 

​​


Otros resultados de rendimiento





Como muestra las curvas de tensión-deformación (stress-strain), los modelos se comportan de la misma manera en la primera parte de la curva: la rigidez (Young modulus) queda constante alrededor de 2.9GPa, de nuevo bien dentro de la gama de la rigidez del PLA y el límite de elasticidad es también bastante estables alrededor de 19MPa.

Las curvas cambian después, para la máxima tensión (como previamente vimos) y para el quiebre de elongación, este crece linealmente con el espesor de la capa desde 2.1% hasta 3.0%. Esto está acorde con el hecho de que el material es más débil en la capa más baja, posiblemente ligado con la menor precisión de un depósito más delgado.


Resultados detallados: Test de Patrón de relleno


Estudiamos las propiedades de 5 patrones de relleno: Linear, Diagonal (linear con un angulo de 45°), Hexagonal (o panal de abejas), “Morrocan stars” y “Catfill”. Los otros parámetros de impresión son:


Impresora: Makerbot Replicator

Velocidad: 60 mm/s

Espesor de la capa: 0.20 mm

Temperatura: 210 °C

Porcentaje de relleno: 10%

Muros exteriores: 2


Hicimos el experimento con 3 modelos para Linear, Diagonal y Hexagonal y solo un modelo para “Morrocan stars” y “Catfill”.




Linear, Diagonal y Hexagonal se pueden comparar equitativamente en términos de fuerza. Linear es ~10% mas fuerte que los otros dos, pero con un error bastante amplio en la barra (?). “Catfill” y “Morrocan stars” son claramente mas débiles, tal como nos esperábamos de estas estructuras no muy optimas.


Es importante notar que el porcentaje de relleno elegido (10%) es muy bajo y no necesariamente extrapola bien para porcentaje de relleno mas altos. La caja en anisotropía (vea mas adelante en esta sección) también aparece (por un propósito distinto) en Linear con Diagonal al 100% de relleno y lleva a un resultado levemente distinto: Diagonal es 10% mas fuerte que Linear. Este leve porcentaje de relleno fue elegido porque nos dimos cuenta que 1) Catfill y Morrocan stars no se pueden imprimir con un alto porcentaje, y 2) Hexagonal empieza a ser bien parecido a Linear después del 30 % de relleno.




El quiebre en la elongación es entre 1.8% y 2.5% pero con un muy leve error en las barras, por lo tanto podemos considerar que es en el mismo rango del 2%.

En conclusión, mientras los patrones decorativos como Morrocan stars y Catfill muestran claramente tener un rendimiento muy bajo, Linear, Diagonal y Hexagonal son comparables al 10% de relleno.


Caja: Anisotropia


Cuales son las cualidades anisotripocas de la impresión 3D? “Anisotrico” significa que las propiedades del material dependen de la dirección considerada. El proceso de impresión 3D tiende intrínsecamente a crear debilidades a lo largo del eje Z, porque el interfaz entre las capas no es tan fuerte. Imprimimos 9 modelos al 100% de relleno: 3 en dirección X (=Linear), 3 en dirección 45°X/45°Y (=Diagonal), y 3 en dirección Z (modelos imprimidos verticalmente). Descubrimos que los modelos direccionados en los ejes Z eran 20%, 30% más débiles que los posicionados en otras direcciones, y que la máxima elongación era la mitad.



Conclusión


Probando los rendimientos mecánicos de una impresora 3D usando plástico de PLA dependiendo del porcentaje de relleno, espesor de la capa y patrón de relleno nos permiten definir las compensaciones que el usuario se enfrenta cuando tiene que elegir las configuraciones.

Como el centro del estudio era el rendimiento mecánico, nos aseguramos de incluir calidad, costos y velocidad como requerimientos clave y como puntos de fuerza para los usuarios de impresión 3D.

Simplemente en rendimientos mecánicos, 3D Matter encontró también resultandos interesantes, como el hecho de que el quiebre en la elongación es menor alrededor de 90% de relleno, que un menor espesor de capa debilita el objeto, y que los patrones Linear, Diagonal y Hexagonal muestran un rendimiento bien equivalente.

También obtuvimos informaciones interesantes con respecto a las diferencias de direcciones, y mientras en el eje Z es, como era esperado, más débil que en otras direcciones, la disminución de tensión es de solo 20-30%.


Descargo de responsabilidad


No testeamos la calidad de impresión para aumentar la recomendación. Aprendimos con la experiencia que la calidad disminuye cuando el espesor de la capa aumenta. También, debido a una dispareja capa de arriba, las impresiones con 100 % de relleno son de menor calidad.

Abrimos varias interesantes investigaciones dirigidas en este paper pero algunos resultados de rendimiento mecánico merecen una mejor investigación para probar las hipótesis que formulamos-por ejemplo sobre el comportamiento de una impresora imprimiendo PLA alrededor del 90% de relleno.

No investigamos la influencia de otros parámetros clave para imprimir, en particular la temperatura de extrusión y la velocidad de impresión.

Los modelos fueron imprimidos sin “techo” o “piso”, pero con 2 muros exteriores. No estudiamos la influencia del “techo”, o deñ “piso” o el espesor del muro exterior.

Este estudio es valido para PLA, lo resultados podrían cambiar para otros materiales como el ABS.

Los parámetros de impresión que usamos y los resultados que obtuvimos son específicos de la Makerbot Replicator, podrían ser un poco diferentes para otras impresoras.

[1]Medimos los valores actuales para la fuerza (máxima tensión), peso y tiempo de impresión para todos los porcentajes de relleno a 0.2 mm y para todos los espesores de capa al 80% de relleno y extrapolamos el resto de los resultados de las tablas con esos valores.

[2]El porcentaje de relleno no influye en la calidad (es al interior), excepto al 100% de relleno donde observamos que las impresiones no era tan suaves debido a un excesiva cantidad de material extruido

[3] Slic3r manual, Makerware, http://airwolf3d.com/wiki/slicing-1/

[4] Loughborough University, Universiti Malaysia Pahang, Makeitfrom.com


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