La impresión 3D de alta velocidad

En los últimos meses el concepto de impresión 3D FFF de alta velocidad ha adquirido mucha popularidad gracias al lanzamiento del kit Hyper FFF para la serie Pro3 de Raise3D y, posteriormente las funciones de impresión de alta velocidad de algunos nuevos modelos como la Bambulab X1, la Ankermake M5 o las recientemente presentadas Prusa MK4 y Creality K1.

Estas nuevas impresoras prometen velocidades de impresión hasta cinco veces superiores sin afectar a la calidad de las piezas, pero ¿Cuánto hay de realidad y cuánto de márketing?

En primer lugar se debe comprender cuales son las limitaciones y problemas que se producen durante la impresión a altas velocidades.

Limitaciones de la impresión 3D de alta velocidad

El concepto de impresión 3D FFF de alta velocidad se refiere generalmente a impresoras 3D en formato escritorio. Esto es debido a que estas impresoras, por su coste y construcción compacta son más susceptibles a vibraciones debidas al movimiento y que sus cabezales, más compactos que los de los equipos industriales, no están preparados para extruir altos caudales volumétricos. Es por esto que la velocidad máxima que puede aceptar una impresora 3D FFF depende de tres factores:

• La pérdida de precisión y calidad provocada por las vibraciones de la estructura.
• El máximo caudal volumétrico que es capaz de extruir el cabezal.
• El comportamiento térmico del material de impresión.

Imagen 1: Impresora 3D FFF industrial (izquierda) e impresora 3D FFF de escritorio (derecha). Fuente: Raise3D.

Vibraciones y su efecto en la calidad de impresión

A medida que se aumentan las velocidades y aceleraciones del cabezal, también lo hacen las inercias que se transmiten a la estructura y, por tanto, las vibraciones. A bajas velocidades, las estructuras de las impresoras tienen capacidad suficiente para absorber y amortiguar las vibraciones, sin embargo, a medida que aumentan los valores de velocidad y aceleración, aumenta también el riesgo de que se produzca un fenómeno de resonancia. Una vez la estructura entre en resonancia, empezará a vibrar a una frecuencia concreta y característica de cada impresora.

Esta vibración se transmite al cabezal durante el movimiento, con dos consecuencias:

• La pérdida de precisión en el posicionamiento.
• La aparición de un patrón de ondas sobre la superficie de la pieza.

Dependiendo de la rigidez de la estructura, la frecuencia y amplitud de la vibración varía. Aquellas estructuras más estables tendrán mayores frecuencias de resonancia y amplitudes bajas, lo que se traduce en una menor pérdida de precisión y un efecto menos visible en la superficie de la pieza.

Imagen 2: Patrón marcado sobre la superficie de una pieza a causa de la resonancia. Fuente: simplify3D.com

La forma más habitual de lidiar con este problema en impresoras 3D FFF de escritorio se basaba en desarrollar estructuras mecánicamente más estables, hasta que Klipper, un firmware libre alternativo a Marlin, implementó un método de compensación de resonancia basado en el método de control de vibraciones "Input Shaping". Este método, basado en software, consiste en que, una vez conocida la frecuencia de vibración, se envía una secuencia de impulsos a los motores que provocan que el cabezal vibre en un patrón inverso al de la resonancia, anulando de esta forma las vibraciones del cabezal durante el movimiento. Se trata de una aproximación similar a la empleada, por ejemplo, en los auriculares con cancelación de ruido o los estabilizadores ópticos.

Video 1: Ejemplo de compensación de vibraciones mediante el método input shaping. Fuente: ACS Motion Control.

Limitaciones del caudal volumétrico de extrusión

Otra limitación importante en impresión de alta velocidad es la capacidad máxima que posee un cabezal para fundir y extruir plástico. Este concepto, conocido como velocidad volumétrica máxima, es un parámetro propio de cada hotend y varía según el material empleado. La velocidad máxima volumétrica se relaciona con tres variables:

• El diámetro de boquilla
• La altura de capa
• La velocidad máxima de impresión

Según la siguiente relación:

Es por esto, que para una impresora determinada la velocidad máxima de impresión está limitada también por la velocidad volumétrica máxima característica de su extrusor según la siguiente relación:

La velocidad volumétrica máxima más común de una impresora de escritorio cuando imprime ABS es de en torno a 10 mm³/s, lo que implica que la velocidad máxima teórica a la que se podría imprimir ABS con éxito usando la configuración estándar basada en una altura de capa de 0.2 mm y una boquilla de 0.4 mm sería de tan sólo 125 mm/s. Si además empleamos otra configuración habitual como una boquilla de 0.6 mm y una altura de capa de 0.3 mm, la velocidad máxima de impresión bajaría a 55 mm/s. Usar velocidades mayores implicaría un alto riesgo de falta de extrusión y delaminación de capas.

Imagen 3: Hotend Volcano, con una mayor área de fusión respecto a los hotends convencionales. Fuente: e3d-online.com

Para conseguir aumentar la velocidad volumétrica máxima, se han desarrollado nuevos diseños de hotend y boquillas. Por ejemplo, los hotends Volcano de E3D permiten aumentar la velocidad volumétrica máxima en torno a un 70 % mientras que las boquillas CHT de Bondtech permiten aumentarla un 30 % sin necesidad de modificar el hotend.

Video 2: Boquilla CHT de Bondtech vs boquilla V6 convencional. Fuente: Bondtech.

Propiedades del material

El último punto importante de la impresión de alta velocidad es el material empleado. Como se comentó en el apartado anterior, la velocidad volumétrica máxima no sólo depende del diseño del hotend, sino también del material empleado. En una impresora de escritorio, la máxima velocidad volumétrica se consigue empleando PLA (en torno a 15 mm³/s), mientras que otros materiales como el ABS, el ASA o el PETg están limitados a velocidades máximas de 10 mm³/s. Existen, además, algunos materiales como el TPU o el TPE, donde superar velocidades volumétricas de 3-5 mm³/s puede resultar complicado.

Es por esto, que el desarrollo de plásticos específicos para impresión de alta velocidad, en combinación con nuevos diseños de hotend, es imprescindible para aprovechar al máximo la impresión 3D FFF de alta velocidad.

Imagen 4: Filamento reforzado con fibra de carbono corriente (izquierda) frente a filamento con tecnología Hypercore de Raise3D. Fuente: Raise3D.

Implementaciones de la alta velocidad en impresoras comerciales

Como se comentó al principio, el interés por implementar sistemas de impresión 3D FFF de alta velocidad en impresoras de escritorio tuvo su origen en la popularización del firmware libre Klipper, sin embargo, debido a la naturaleza de este proyecto, sólo estaba disponible dentro del entorno maker. El primer fabricante en desarrollar un sistema de alta velocidad profesional en sus impresoras ha sido la reconocida compañía Raise3D con la presentación del Kit Hyper FFF para la serie Pro3.

Video 3: Comparación Raise Pro3 con Hyper FFF frente a Raise Pro3 estándar. Fuente: Raise3D.

El sistema Hyper FFF es el primero en ofrecer un enfoque global que trata de forma conjunta las tres limitaciones mencionadas anteriormente:

Compensación de resonancia: El firmware Hyper FFF para la serie Pro3 implementa un sistema de compensación de resonancia mediante el método "input shaping" similar al usado en Klipper. Para la determinación de las frecuencias de resonancia en X e Y, el kit Hyper FFF incluye un cabezal de calibración dotado con un acelerómetro de alta precisión. Esto, unido a una estructura altamente estable y optimizada durante años desde la serie N2, garantiza una compensación precisa de la resonancia a cualquier velocidad.

Velocidad volumétrica máxima: El kit Hyper FFF de Raise3D incluye dos nuevos hotends rediseñados para aumentar la velocidad volumétrica máxima hasta un 200 % respecto al hotend original.

Materiales adaptados a la impresión de alta velocidad: Raise3D ha desarrollado, en conjunto, con el kit FFF, una nueva serie de filamentos Hyperspeed, que permiten aumentar la velocidad volumétrica máxima hasta un 50 % respecto a los materiales estándar. Además, la nueva línea de materiales compuestos Hyper Core, permite garantizar las máximas propiedades mecánicas en impresión de alta velocidad.

Imagen 5: Kit Hyper FFF para Raise3D Pro3. Fuente: Raise3D.

Este enfoque global permite obtener velocidades reales de impresión entre 3 y 5 veces superiores a las de una impresora de escritorio corriente, sin afectar ni a la calidad estética de las piezas ni a su comportamiento mecánico.

Tras Raise3D han sido varios fabricantes los que han implementado de una forma u otra sistemas de impresión 3D FFF de alta velocidad. Recientemente Prusa presentó la nueva Prusa MK4, la cual incluye un sistema de impresión de alta velocidad. Este sistema, basado en una implementación del módulo de Klipper en Marlin. Esto, unido al nuevo hotend que proporciona una mayor zona de fusión respecto al V6 original, permite aumentar la velocidad de impresión entre un 150 % y un 200 %. Respecto a la determinación de las frecuencias de resonancia, la impresora incluye en el firmware valores genéricos determinados por el fabricante. Esto, aunque puede ser efectivo, es el método menos preciso de calibración. Según el fabricante, la MK4 incluye un puerto específico para un acelerómetro, aunque no hay confirmación de si en un futuro se podrá emplear para hacer una calibración real.

Imagen 6: Prusa MK4. Fuente: Prusa3d.com.

Al mismo tiempo, algunos conocidos fabricantes chinos como Creality, Ankermake o Bambulab han presentado modelos orientados al sector profesional que incluyen impresión 3D FFF de alta velocidad. En este caso se trata de impresoras que directamente implementan versiones personalizadas de Klipper. Son precisamente estos fabricantes los que publicitan mayores velocidades, que ofrecen velocidades volumétricas máximas de hasta 32 mm³/s y velocidades de impresión de hasta 600 mm/s. Aunque la implementación de Klipper y la incorporación de nuevos hotends garantiza una mayor velocidad de impresión, los valores proporcionados no son realistas, tratándose únicamente de una estrategia de márketing. En primer lugar, reconocidos sistemas de alto caudal como el sistema Volcano de E3D son capaces de proporcionar con PLA en condiciones estándar (boquilla de 0.4 mm y altura de capa 0.2 mm) velocidades volumétricas máximas de 20 mm³/s. Sólo algunas configuraciones especiales como los hotends Supervolcano de E3D pueden garantizar valores similares a los publicitados. Por otro lado, aunque estas impresoras pudieran garantizar velocidades volumétricas máximas de 32 mm³/s, la máxima velocidad de impresión en condiciones estándar estaría limitada a 400 mm/s, según la fórmula que relaciona la velocidad de impresión y la velocidad volumétrica máxima. Este límite está muy alejado de los valores publicitados de 600 mm/s.

Imagen 7: Banner publicitando una impresora de alta velocidad. Fuente: Creality.com.

Conclusión

La impresión 3D FFF de alta velocidad es una revolución que promete minimizar uno de los principales handicaps de la impresión, aumentando la productividad de esta tecnología. Sin embargo se trata de un proceso complejo que requiere un abordaje global más allá de la compensación de resonancias. Requiere, además, el desarrollo de hotends capaces de garantizar altas velocidades volumétricas junto a nuevas formulaciones de materiales, para poder conseguir altas velocidades sin que se vean afectados los acabados y las propiedades finales de la pieza. Esto es especialmente crítico en materiales técnicos como los composites donde, a día de hoy, únicamente el sistema de Raise3D incluye materiales técnicos optimizados para alta velocidad.

En lo que respecta a las velocidades máximas que se pueden obtener a día de hoy, los valores más realistas en aquellas impresoras con compensación de resonancia y hotends optimizados están en torno a 150 - 200 mm/s. Estos valores concuerdan con lo publicitado para la Prusa Mk4, sin embargo están muy alejados de los valores publicitados por otras marcas. En el caso de emplear materiales específicos para alta velocidad el incremento podría alcanzar hasta los 250-300 mm/s. Esto no quiere decir que no sea posible alcanzar mayores velocidades sin llegar a apreciar la aparición de efecto "ghosting" o "ringing" sobre la pieza, pero las propiedades finales y el comportamiento mecánico de la pieza se verán comprometidos debido a la aparición de defectos o la baja adhesión entre capas.