IDEA 1.61.

Las piezas de polímero “más fuertes que el metal” son más fáciles de imprimir en 3D de lo que se piensa. Aquí hay una introducción a la tecnología y el caso de negocio para la impresión 3D de fibra continua en una Markforged Mark Two.

Bien, las cartas sobre la mesa, quizás sea un poco fantasioso decir “más fuerte que el metal”. La afirmación tiene algo de cierto: las impresiones reforzadas con fibra continua pueden ser más fuertes que el aluminio. Tal vez por eso la tecnología se ha hecho tan popular entre los talleres de mecanizado y los fabricantes de plantillas, accesorios, piezas de repuesto y herramientas. Pero esta resistencia depende de cómo y con qué se refuerce la impresión.

Realmente, la impresión 3D de fibra continua puede hacer piezas increíblemente fuertes y duraderas que siguen siendo, por la mayor parte de su composición, de plástico. El truco está en cómo se refuerzan y las tensiones a las que se someten. Pero ya llegaremos a eso. Primero, una introducción.

El modelado por deposición fundida tiene su lugar como herramienta para la iteración de productos y la creación de prototipos, incluso para la producción final, dependiendo de la pieza y las cantidades necesarias. Usted corta su modelo y la impresora 3D calienta un poco de plástico y lo deposita en la forma del modelo deseado. Sencillo.

Pero hay una forma de aprovechar la limitada durabilidad de las piezas de plástico y hacer que compitan con el aluminio fresado: el refuerzo de fibra continua. Este proceso de impresión ofrece una ventaja adicional de ahorro de costes, además de la agilidad de la iteración y la fabricación local: una relación resistencia-peso de locura.

Exploramos los cómo y los porqués de la impresión 3D de fibra continua, a través de la experiencia práctica con la Markforged Mark Two. (Revelación completa: Markforged prestó a All3DP una Mark Two y más materiales de los que sabemos qué hacer para aprender el proceso y entender mejor la tecnología. El coste base de la Mark Two es de 19.900 dólares).

¿Qué es la impresión 3D de fibra continua?.

El refuerzo de fibra continua aprovecha la versatilidad del modelado por deposición fundida -trazando un modelo capa por capa a partir de termoplástico fundido- y reforzando la pieza de diversas maneras y en distintas direcciones con una deposición independiente de hilo de material de refuerzo.

Muchas empresas ofrecen algún tipo de tecnología de refuerzo de fibra; un artículo publicado en 2020 en CompositesWorld ofrece un práctico resumen de los principales actores y la escala de soluciones que ofrecen.

Entre esta cábala de empresas centradas en el refuerzo con fibra, hay un puñado de tecnologías y procesos diferentes sobre cómo y dónde se utiliza la fibra. Es un área de mucho estudio, con investigaciones publicadas y organizaciones dedicadas al tema.

Un artículo de la revista International Journal of Material Forming de mayo de 2022 describe tres tecnologías principales: el towpreg, en el que el hilo de refuerzo ya está incrustado en la matriz de polímero antes del procesamiento; la impregnación in situ, en la que el hilo de fibra se incrusta en la matriz de polímero en el punto de extrusión; y, por último, la coextrusión con towpreg, en la que el material de refuerzo de fibra se incrusta en la matriz termoplástica ya extruida.

Los usos principales entre estos diferentes enfoques son, en gran medida, los mismos. En este artículo nos centraremos en la coextrusión con towpreg, ya que es la que mejor se adapta a la Mark Two, que es la máquina con la que nos hemos familiarizado para esta inmersión en el proceso.

PARALELOS DE REFUERZO DE FIBRA.

El uso del refuerzo de fibra para dotar de resistencia y rigidez a materiales menores es antiguo. Un ejemplo fácil de imaginar es el de la construcción, donde la inclusión de barras de acero en el hormigón produce estructuras compuestas que son más fuertes y más económicas que las hechas con los materiales individuales por separado. Lo mismo ocurre con los hilos de fibra de carbono (y otras fibras) colocados con precisión en una impresión 3D basada en filamentos.

Este es el principio básico de la impresión 3D de compuestos de fibra continua.

Una distinción que hay que tener en cuenta es que, al ser un método de producción ágil y controlado numéricamente por ordenador, la impresión 3D de fibra continua ofrece un control exigente sobre la colocación del material de refuerzo. No es sólo isotrópico: el refuerzo puede aplicarse a las paredes exteriores e interiores con densidades y espesores variables.

Como es típico de la impresión 3D por modelado de deposición fundida, la mayor resistencia que se ofrece es paralela a la dirección de la deposición: la resistencia es isotrópica transversal. Aunque las fibras individuales ofrecen el mayor beneficio de resistencia bajo tensión, puede colocarlas de diferentes maneras al imprimir.

Dependiendo de su estrategia de fibras, puede aumentar características como la resistencia de la pared y la resistencia contra la deformación en hilos y cavidades, por no mencionar la resistencia contra la flexión en los ejes X e Y, sin aumentar significativamente el peso de la pieza de polímero inicial.

¿Qué no es la impresión 3D en fibra continua?.

Hay que tener en cuenta una distinción con el refuerzo de fibra continua. Es fácil confundir el proceso con los materiales rellenos de fibra de carbono, que utilizan un porcentaje de fibras de carbono picadas suspendidas en el termoplástico para impartir resistencia adicional.

Los dos son distintos. Los materiales rellenos de fibra aportan una mayor resistencia a los productos químicos y al calor que el filamento termoplástico de base. Una fibra continua incrustada en una impresión (incluso una impresión de material relleno de fibra, como el material base Onyx de Markforged) proporciona un refuerzo específico y beneficios de resistencia a algunas geometrías.

Por ejemplo, es correcto decir que la Markforged Mark Two es una impresora 3D de fibra de carbono: el material base Onyx que utiliza está relleno de fibras de carbono picadas y es, por sí solo, un material fuerte y versátil. Sin embargo, la Mark Two también es una impresora 3D de refuerzo de fibra continua, capaz de incrustar un andamio de fibra continua (que podría ser fibra de carbono – hay otros materiales disponibles) para reforzar una impresión.

Si te interesan las impresoras 3D de fibra de carbono en general, nuestra guía de impresoras 3D de fibra de carbono de sobremesa cubre la tecnología y las mejores impresoras, incluida la Mark Two con la que estamos jugando en este artículo. Si tienes necesidades más grandes, nuestra guía de impresoras 3D de fibra de carbono profesionales es también el lugar para la primicia de las máquinas de gran formato de capacidad similar.

¿Cómo funciona? (Feat. Markforged Mark Two).

Nuestro marco de referencia para recorrer el proceso de producción de una impresión 3D reforzada con fibra es la Mark Two, por lo que los siguientes pasajes son bastante específicos de esa máquina, pero esperamos que los principios sean bastante similares entre las diferentes empresas y sus propias y diferentes versiones de la tecnología.

La Mark Two es, posiblemente, el primer nombre de la impresión 3D reforzada con fibra de escritorio. Actualmente se encuentra en su segunda generación, y ha demostrado su valía como impresora 3D de sobremesa y ha allanado el camino para una serie de opciones similares pero especializadas y ampliadas de la empresa. El claro beneficio de producción de la máquina y su simplicidad son posiblemente las razones.

Al ser una máquina de coextrusión con towpreg, la Mark Two es lo que se consideraría una impresora 3D de doble extrusión. Bajo un espartano exterior de chapa metálica (que abre su tapa como el maletero de un coche – muy satisfactorio) se encuentra dicho sistema de doble extrusión.

Cada vía de extrusión es novedosa. Una es estrictamente para los filamentos termoplásticos de 1,75 mm de Markforged, incluido el material base de poliamida rellena de fibra de carbono picada Onyx. Existen otros materiales específicos para la aplicación, pero no hemos probado ninguno. La otra vía de extrusión se encarga de la rosca de material de refuerzo, casi similar a la de una máquina de coser, que se coloca en un porta-carretes magnético dentro de la cámara de impresión de la impresora.

Mientras que el hardware de Mark Two es la herramienta contundente que convierte los modelos en piezas reales y tangibles, el arte del refuerzo de la fibra reside en el software, donde se unen las estrategias de impresión y refuerzo.

SIEMPRE EN LÍNEA, CORTE EN LA NUBE.

En el caso de la Mark Two, este software es Eiger, la herramienta de preparación y producción de impresión basada en la nube de Markforged. También existe una aplicación de escritorio para las organizaciones que se resisten a los procesos conectados en línea, pero se recomienda evitarla y utilizar la aplicación en línea siempre que sea posible.

Eiger puede albergar una biblioteca de piezas y construcciones (grupos de piezas) que subes para imprimir. A partir de las piezas que subes, hay una díada de procesos de preparación que debes recorrer para configurar: uno para los ajustes de impresión de polímero normales, el otro para configurar el material de refuerzo.

En la vista de refuerzo, puede configurar el contenido de fibra de la impresión por capa, con un acceso directo para distribuir múltiples áreas isotrópicas de refuerzo de forma uniforme a través de rangos especificados. También puede controlar las áreas concéntricas de refuerzo, eligiendo cubrir las paredes interiores, exteriores o todas las paredes con fibra.

FUERZA DE DOS MANERAS.

Estas opciones -concéntrica e isotrópica- son las dos únicas opciones para reforzar una impresión. Sin embargo, entre ellas, tienes una mayor flexibilidad a través de las densidades, los ángulos y la alineación con las superficies de tu modelo.

La fibra isotrópica atraviesa una capa en líneas paralelas muy apretadas, alternando entre los ángulos de varias capas para dar uniformidad (normalmente 0, 45, 90, 135 grados por defecto, pero esto se puede personalizar).
La fibra concéntrica sigue los perímetros de las características de su impresión. Aquí tiene cierta flexibilidad para elegir si desea reforzar sólo las paredes exteriores, los agujeros interiores o todo.

¿Quién utiliza la impresión 3D de fibra continua?.

En general, la impresión en 3D de fibra continua es adecuada para aplicaciones en las que se requiere que una pieza sobreviva a cargas repetidas, muestre una gran rigidez o sobreviva a tensiones elevadas sin sufrir un fallo catastrófico. La propiedad deseada proviene del material de refuerzo utilizado, tal es la versatilidad.

Por supuesto, “más fuerte que el metal” es la afirmación que se le queda grabada a la mayoría de la gente cuando piensa en la impresión 3D con fibra continua, y eso es indudablemente cierto en el caso de las impresiones reforzadas con fibra de carbono. Así es precisamente como se pueden producir impresiones en 3D que igualan y superan al aluminio en cuanto a resistencia.

Aparte de las características del material, también hay ventajas en el proceso. Las piezas son más ligeras que sus homólogas de metal y pueden beneficiarse de una rápida iteración y producción. Se aplican las ventajas típicas de la impresión 3D como método de producción ágil.

Los usos pueden ir más allá del desarrollo. La identificación de repuestos y piezas de recambio para fabricar in situ en lugar de fuentes externas puede ser una justificación. Una impresora 3D reforzada con fibra no hace más que elevar el listón de los recambios más resistentes y duraderos.

CASOS DE USO.

Así pues, existen innumerables formas de emplear la impresión 3D de fibra continua. No podemos decir exactamente dónde se puede y no se puede utilizar, pero hay muchos casos de uso publicados en los que podemos inspirarnos.

El fabricante de sistemas robóticos ERM Automatismes utiliza las impresoras 3D de fibra continua de Markforged para fabricar herramientas de extremo de brazo (EOAT) personalizadas para sus brazos robóticos, con los compuestos reforzados con fibra que producen piezas lo suficientemente resistentes para soportar el uso industrial.

El taller de fabricación de metales Lean Machine CNC aborda el mecanizado a medida con la impresión 3D de fibra continua. Para un trabajo concreto, en lugar de producir un tornillo de banco metálico que habría costado a la empresa 6.000 dólares utilizando sus procesos habituales, desarrolló un tornillo de banco reforzado con fibra de carbono y una mordaza blanda que combinaba piezas impresas con elementos adicionales disponibles en el mercado por 1.500 dólares y tardando sólo un tercio del tiempo de fabricación.

El estudio de desarrollo de productos Arc34 utiliza la impresión 3D de fibra continua para producir soportes duraderos para GoPro en el cuerpo. Reforzadas con fibra de vidrio, las monturas son un ejemplo de producción rápida y de uso final mediante la impresión 3D reforzada con fibra, encontrando la relación coste-beneficio en una fibra fuerte pero barata que da características más extraordinarias a las impresiones.

¿Qué materiales se pueden utilizar para reforzar una impresión en 3D?.

Si se observan los nombres notables en la impresión 3D de fibra continua, parece que el material base común para el refuerzo es la poliamida. El material termoplástico de base de Markforged es una mezcla rellena de fibra de carbono picada llamada Onyx. Se trata de un material resistente de uso general que ofrece mayor resistencia y rigidez que los polímeros habituales de impresión 3D, como la poliamida y el ABS.

Cuando el recorrido de un trabajo de impresión llega al punto de colocar material de refuerzo de fibra, la segunda boquilla -un aparato más grande y plano- “plancha” la fibra en el material base.

OPCIONES DE MATERIALES.

En el ecosistema de Markforged hay cinco tipos de fibra continua entre los que elegir: fibra de carbono, fibra de carbono ignífuga, fibra de vidrio, fibra de vidrio de alta resistencia a las altas temperaturas y fibra de aramida (también conocida por la marca Kevlar). El basalto también es una fibra de refuerzo común, pero no se ofrece en el ecosistema de Markforged.

Como es de esperar, cada material de refuerzo confiere características particulares a la impresión.

De la selección, la fibra de carbono ofrece la mayor resistencia a la flexión y rigidez, con 540 MPa y 60 GPa, respectivamente. Es el abanderado de Markforged y el material de refuerzo que respalda las afirmaciones de que las piezas de plástico son “más fuertes que el metal”.

También está disponible un hilo de fibra de carbono ignífugo, que ofrece una resistencia casi idéntica a la de la fibra de carbono estándar, pero con la ventaja de que se puede utilizar en el sector aeroespacial y en industrias con restricciones similares. Sin embargo, sólo funciona con el sistema Markforged X7, por lo que es discutible para nosotros y el Mark Two con el que estamos jugando.

Más allá de la fibra de carbono, está la fibra de vidrio, que ofrece una alternativa económica al CF. No alcanza las mismas cotas de resistencia, pero supera con creces a los polímeros rellenos de fibra y no reforzados.

La fibra de vidrio de alta resistencia a las altas temperaturas ofrece una resistencia comparable a la de la fibra de carbono (aunque con menor rigidez), pero destaca por mantener su resistencia a altas y bajas temperaturas. Se posiciona como el material de refuerzo ideal para los casos de uso que implican altas temperaturas, como los autoclaves o el moldeo.

Por último, está la fibra de aramida (también llamada comúnmente Kevlar). Se trata de un material de refuerzo especializado en la resistencia a los golpes y la dureza, y es ideal en situaciones que requieren cargas repetidas y aplicaciones de alto impacto. Tiende a doblarse donde la fibra de carbono se rompe.

COSTOS DE CONTABILIDAD.

Las fibras para reforzar tus impresiones no son baratas. La más rentable, la fibra de vidrio, cuesta a partir de 80 dólares por una bobina de 50 cc, mientras que una bobina de 150 cc de fibra de carbono encabeza la lista con 450 dólares. El truco para una impresión de refuerzo de fibra eficaz es encontrar la estrategia de refuerzo correcta para sus fines y el material de refuerzo adecuado.

Un elemento vital de sistemas como el Mark Two es mostrarte, con gran visibilidad, exactamente cuánto está consumiendo en costes de material lo que estás imprimiendo. Al configurar las impresiones en Eiger, se le muestra cuánto cuestan sus piezas al céntimo.

¿Cómo se usa realmente el Mark 2?.

Sería negligente por nuestra parte probar una impresora 3D de casi 20.000 dólares y no contar nuestra experiencia con ella.

Ya se ha mencionado que la Mark Two tiene un exterior bastante espartano. Lo mismo ocurre con la experiencia de uso de la máquina. Todo es funcional. Hay pocas cosas vestigiales que se interpongan en el camino de la producción de un número impensable de impresiones.

Una vez que la impresora está configurada, conectada a Internet, registrada en tu cuenta Eiger y cargada con material, apenas tienes que volver a tocarla, a no ser que vayas a eliminar impresiones o a cambiar de material. Es así de fácil.

Y, además, es fiable. Cero fallos de impresión y una calidad de impresión casi impecable es lo que hemos aprendido de la Mark Two en el largo tiempo que hemos pasado imprimiendo con ella. La generación de soporte automático maneja sorprendentemente bien las geometrías difíciles, y las estructuras de soporte prácticamente se desprenden en la mano. Lo ideal es diseñar las piezas para evitar que necesiten estructuras de soporte en primer lugar – los principios básicos de diseño para la impresión 3D todavía se aplican aquí.

La máquina realiza un seguimiento de las tareas de mantenimiento vitales de la impresora, lo que permite actuar en los intervalos adecuados.

¿QUÉ HAY EN LA CAJA?.

La Markforged Mark Two supone una inversión de unos 20.000 dólares, sin contar los costes de material y, más adelante en la vida de la máquina, los costes de mantenimiento necesarios.

A pesar del precio sub-industrial, la experiencia de recibir y configurar la máquina no es tan diferente de la de una impresora 3D de sobremesa. Hay una rutina de configuración más complicada para ajustar las tensiones y compensaciones de la correa de la máquina tras el envío, pero desde el desembalaje hasta la puesta en cola de la primera impresión puede ser cuestión de una o dos horas de trabajo ininterrumpido.

El paquete de accesorios de la máquina incluye lo siguiente:

• Llaves hexagonales de cabeza esférica (para ajustar las compensaciones).
• Destornillador dinamométrico pre-calibrado (con puntas para los dos tipos de boquilla de la Mark Two).
• Pinzas de punta fina.
• Raspador ancho.
• Compuesto lubricante a base de níquel.
• Cepillo de alambre.
• Cables de datos.
• 3 boquillas de plástico de recambio (para el material de impresión primario, normalmente Onyx).
• 3x Boquillas de fibra de repuesto (para el material de refuerzo continuo).
• 5x Tubos de repuesto de las boquillas de fibra de PTFE.
• 2x Calzos de compensación de boquillas de plástico y de fibra.

También se incluye como parte del paquete una caja seca – en realidad, una caja Pelican modificada. Esta caja mantiene el filamento Onyx, altamente higroscópico, en buenas condiciones de funcionamiento durante la impresión.

En el momento de nuestras pruebas, la Mark Two también incluía un generoso paquete de materiales de muestra, que incluía dos bobinas de fibra de carbono, además de bobinas individuales de Kevlar, fibra de vidrio y fibra de vidrio HSHT, todas ellas de 250 g (50 CC). También se incluía una bobina de aproximadamente 1 kg (800 CC) de nylon reforzado con fibra de carbono picado de la compañía.

La caja seca no es especialmente elegante, como tampoco lo es el acto de descargar y cargar el filamento, que requiere una combinación de giros de la tapa para hacer malabares con la cubierta superior sostenida neumáticamente, además de una caja sostenida por fricción para tocar la pantalla táctil, desacoplar los tubos de filamento y alimentar el material de la caja seca umbilical.

EMPEZAR A TRABAJAR.

Al desembalar la máquina, se le indica que la registre, lo que a su vez le permitirá obtener una cuenta en el software Eiger de Markforged basado en la nube. De forma inusual, es necesario utilizar Google Chrome para configurar y utilizar la Mark Two. Esto puede suponer un problema para las organizaciones con configuraciones informáticas estrictas, pero Markforged nos dice que está planeando ampliarlo a otros navegadores en el futuro.

Al entrar en Eiger, se te presenta una ráfaga de tutoriales y consejos para usar la plataforma, pero en serio, todavía hay mucho que hacer para configurar tu máquina. A continuación, la guía inicial incluida te lleva al sitio de soporte de Markforged para encontrar la Guía de inicio rápido.

Paso a paso, te encuentras recortando las bridas de envío, desenganchando las cuñas de espuma y, como ejemplo del tipo de detalle exigente que aparentemente se ha invertido en hacer de la Mark Two un dispositivo apto para la industria, sacando una aplicación de afinación de guitarra en tu dispositivo smartphone para ajustar las correas de tu impresora a la frecuencia aceptada. Nos dicen que cualquier aplicación de afinación debería servir, aunque Markforged recomienda un par de ellas en su guía de configuración, para ahorrarte un poco de tiempo.

Lo que sigue es el paso de conectarse a su red Wi-Fi (o Ethernet) y las actualizaciones de firmware por aire. La gran pantalla táctil del sistema ofrece una lectura clara del progreso de las cosas, para que sepas que tienes tiempo de sobra para tomar un café mientras hace lo suyo.

LO QUE NOS GUSTA.

La Mark Two toma algo que parece desalentador al principio y lo hace totalmente accesible. Incluso los novatos en la impresión 3D no se encontrarán a la deriva con la Mark Two. El refuerzo de la fibra es tan sencillo como cargar los materiales elegidos y utilizar el software Eiger para decidir dónde va la fibra.

Hay limitaciones de diseño para utilizar la fibra, como que las paredes no sean más finas que 3 mm; si son más pequeñas, no habrá espacio para colocar la fibra. Por lo demás, el proceso en sí es un juego de niños – quizás exactamente lo que todos los que intentan justificar el precio de 20.000 dólares de la cadena esperan oír.

COSAS QUE NO NOS GUSTAN.

Algo que parece que le falta a Eiger es algún tipo de inteligencia reactiva sobre la estrategia de la fibra. El objetivo de la impresión 3D de fibra continua es permitirte crear piezas de polímero extraordinariamente resistentes, pero no hay nada que te indique si la estrategia de refuerzo de fibra elegida con una pieza conseguirá realmente lo que quieres.

Podrías ir a lo seguro y rellenar tu impresión con fibra para asegurarte de que es más resistente de lo que se puede esperar, pero esto es ineficaz con rendimientos decrecientes. La información está disponible en las páginas de aprendizaje en línea de Markforged, pero sería mejor presentarla en el momento de necesitarla.

La reciente adquisición de Teton Simulation Software por parte de Markforged hará que el software de validación SmartSlice de esta última se integre con Eiger en el futuro. Según un comunicado de prensa, esta función estará detrás de un muro de pago.

La pantalla táctil del Mark Two es terrible, con un retraso en la introducción de datos que a menudo te hace preguntarte si ha registrado tu toque. Usar el dedo es demasiado impreciso, incluso con botones grandes y claramente etiquetados para apuntar. Si quieres pasar un buen rato interactuando con la impresora, coge una llave hexagonal u otro aparato similar a un lápiz.

Y nuestro último gran problema es la imposibilidad de cargar archivos por lotes en Eiger. Tendrás que abrir las arcas de una suscripción premium a Eiger para acceder a esta característica tan obvia y obviamente útil. Esto parece una cosa increíblemente menor para dejar caer cínicamente detrás de un muro de pago, especialmente para los usuarios individuales que acaban de desembolsar 20.000 dólares por una impresora.

VEREDICTO DE LA MARKFORGED MARK 2.

La Markforged Mark Two tiene muchas cosas que gustar, y una de ellas es que puede imprimir objetos increíblemente resistentes con un esfuerzo mínimo. Si te haces a la idea de los principios básicos del refuerzo con fibra, empezarás a ver las posibilidades de cada pieza que imprimas.

Le permite iterar y probar sus piezas rápidamente, con resultados lo suficientemente resistentes como para cumplir con las exigentes aplicaciones de uso final sin necesidad de subcontratación ni obstáculos logísticos. Las estimaciones del coste de las piezas que tienen en cuenta la fibra utilizada también ponen el valor del uso de la máquina en términos reales.

La ecuación de si tiene sentido para usted depende de su situación. Una Mark Two sola no va a tener un alto rendimiento y exige más del usuario en la configuración. Pero es escalable a una flota de máquinas que ofrecen mayor rendimiento y autonomía, como la X7. Es, sin duda, una puerta de entrada adecuada a las amplias posibilidades de la impresión 3D de fibra continua.

Artículo original disponible en: 3ALLDP.