Por qué llevaba 30 años sin funcionar y cómo conseguimos arreglarlo por fin.
Las piezas que salen de tu impresora 3D no son las mismas que se han modelado en la simulación de elementos finitos. Todos los ingenieros que trabajan con la impresión 3D FDM lo saben, en mayor o menor medida. La mayoría ha encontrado soluciones alternativas. Pocos han hablado abiertamente sobre por qué existe este problema y aún menos lo han abordado de raíz.
Si realizas un análisis de tensiones FEA estándar en un archivo CAD que vas a imprimir en una impresora 3D FDM, obtendrás un resultado: gráficos de contorno nítidos, predicciones de fallo, aparentemente fiables. El problema es que casi nada de ello tiene en cuenta cómo el proceso de fabricación modificará el resultado.
El análisis FEA tradicional parte de la hipótesis de que la pieza analizada es isotrópica y homogénea. Esa hipótesis funciona razonablemente bien para el moldeo por inyección, el mecanizado CNC y otros procesos de fabricación convencionales. Sin embargo, para las piezas impresas en 3D mediante FDM, resulta fundamentalmente insuficiente.
Una pieza FDM es una pila de cordones depositados, cada uno de ellos con la forma determinada por la trayectoria de la herramienta que lo ha depositado, unidos a los cordones adyacentes mediante un proceso térmico que varía a lo largo del volumen de construcción. Las propiedades del material en la dirección de la deposición de los cordones son apreciablemente diferentes de las propiedades perpendiculares a ella. La densidad, el patrón y la orientación del relleno afectan al comportamiento estructural de formas que un modelo FEA estándar simplemente no puede captar.
La respuesta habitual es aplicar un factor de seguridad muy elevado, a menudo para compensar el hecho de no tener en cuenta las trayectorias de mecanizado. Dependiendo de las condiciones de carga, puede ser una aproximación razonable, pero en la mayoría de los casos no lo es. El factor puede resultar demasiado conservador cuando la reducción de peso es una prioridad, y no lo suficientemente conservador para modos de fallo que nunca se previó predecir. El resultado es una pieza impresa en 3D sobredimensionada, más pesada y más cara de lo necesario. Y, en el caso de las aplicaciones sometidas a carga, el riesgo que no se ha cuantificado adecuadamente no desaparece por el mero hecho de haber aplicado un factor de seguridad.
El software de análisis por elementos finitos (FEA) disponible en el mercado no se diseñó para la impresión FDM ni, en términos más generales, para la impresión 3D. La mayoría de las herramientas de simulación predominantes se desarrollaron partiendo de supuestos propios de la fabricación convencional: materiales homogéneos, geometrías estables y condiciones de proceso predecibles. Los avances en la simulación de la fusión en lecho de polvo han sido significativos y la razón es reveladora. En los sistemas de fusión en lecho de polvo, la cantidad total de material en la cámara de construcción se mantiene relativamente constante, y en un momento dado solo una región localizada está expuesta a la fuente de calor. Esa consistencia permite modelar las tensiones residuales, la distorsión y los fallos de construcción con una precisión razonable.
Se han probado varios enfoques tanto en el ámbito académico como en la industria, y cada uno de ellos tropieza con un obstáculo específico. El uso de modelos de materiales anisotrópicos y la teoría de laminados compuestos captan las debilidades entre capas, pero pasan por alto la anisotropía de grano fino derivada de los contornos que varían continuamente, los cambios de dirección de la trama y las orientaciones cambiantes del material. La modelización de cordones individuales es físicamente precisa en principio, pero resulta inmediatamente inviable para cualquier pieza de tamaño de producción: el número de elementos de malla se vuelve computacionalmente inmanejable incluso antes de resolver el problema de generar una malla razonable. La homogeneización basada en celdas unitarias aplica las propiedades del material a elementos mucho más grandes que los cordones individuales, pero asume una estructura periódica del material que el FDM incumple de forma activa. Las líneas de contorno siguen los límites de la pieza, los patrones de relleno cambian de dirección en las paredes, los giros de la trama crean orientaciones localmente distintas y las regiones de relleno dispersas se comportan de forma totalmente diferente a las densas. La propiedad homogeneizada asignada a cualquier elemento es, en el mejor de los casos, un promedio y, en el peor, asigna con total seguridad propiedades erróneas a los límites, las concentraciones de tensión y las paredes delgadas que con mayor probabilidad determinarán el fallo.
Cada enfoque comparte el mismo fallo fundamental: tratar la trayectoria de la herramienta como un elemento secundario en lugar de como la entrada principal. El resultado son enfoques que resultan demasiado costosos o totalmente inadecuados, y un sector que ha compensado esta situación imprimiendo más piezas de prueba, aplicando factores de seguridad más elevados y aceptando componentes sobredimensionados. Ese flujo de trabajo es aceptable para la creación de prototipos. Sin embargo, no es escalable a aplicaciones de producción en las que el peso de la pieza, el coste del material y la homologación del rendimiento son factores determinantes.
A medida que disminuye la confianza en la tecnología FDM para aplicaciones estructurales, los ingenieros se muestran menos dispuestos a especificarla para piezas de producción, lo que reduce aún más el incentivo para invertir en mejores herramientas de simulación. El ciclo continúa.
El resultado es una oportunidad perdida. La impresión 3D FDM tiene un claro potencial para utillajes, accesorios, soportes y aplicaciones estructurales de apoyo a la producción, en las que un peso más ligero, un menor coste, plazos de entrega más rápidos y la flexibilidad de diseño aportan ventajas significativas frente a la fabricación convencional. Sin herramientas de simulación en las que los ingenieros puedan confiar, esas ventajas no se materializan.
El problema es específico, y también lo es la solución. Para predecir con precisión el comportamiento mecánico de una pieza impresa en 3D mediante FDM, la simulación debe tener en cuenta aspectos que el análisis por elementos finitos (FEA) tradicional simplemente ignora: la dirección en la que se depositó cada cordón y cómo eso afecta a la rigidez y la resistencia; el patrón y la densidad de relleno en toda la pieza; las propiedades del material validadas y específicas de la impresora y la altura de corte que se utilice, en lugar de los valores genéricos de las fichas técnicas; y, lo que es fundamental, la velocidad, para que la simulación sea un paso práctico y no un obstáculo que se acaba saltando.
Este último punto es más importante de lo que podría parecer. Las simulaciones complejas de análisis por elementos finitos (FEA) pueden llevar muchas horas incluso en hardware de alto rendimiento. Si resulta más rápido simplemente imprimir una pieza de prueba y someterla a ensayos físicos, eso es lo que harán los ingenieros. Una herramienta de simulación que no pueda ofrecer resultados más rápidamente que la alternativa física no cambiará los hábitos de los ingenieros, por muy precisa que sea.
Toda la información necesaria para una simulación FDM físicamente precisa se encuentra en un solo lugar: los datos de la trayectoria de la herramienta generados por el software de preparación de la impresión. La trayectoria de la herramienta sabe exactamente dónde se depositó cada cordón, con qué orientación y con qué patrón de relleno. Es la descripción más completa que existe de la pieza impresa en 3D tal y como se ha fabricado. La pregunta siempre ha sido si las herramientas de simulación la utilizarían.
NoviPath da la vuelta a los supuestos en los que fallaron los enfoques anteriores. En lugar de partir de la geometría CAD e intentar incorporar las propiedades del material a granel resultantes del proceso FDM, parte de la propia trayectoria de la herramienta: la única fuente que contiene tanto la geometría como la información del proceso necesarias para asignar propiedades direccionales precisas del material en cada punto de la pieza.
El motor de simulación FDM de Novineer, integrado en GrabCAD Print Pro, lee los datos reales de la trayectoria de la herramienta de GrabCAD —que incluyen la orientación de la impresión, la altura de capa, la dirección de la capa y los patrones de relleno, además de las propiedades específicas del material— y crea un modelo físicamente preciso de la pieza tal y como se imprimirá en 3D. La simulación refleja la pieza tal y como se ha fabricado, no una versión excesivamente simplificada de la misma.
La tecnología se basa en tres componentes fundamentales, cada uno de los cuales aborda una limitación específica de los enfoques anteriores.
En combinación con una rigurosa metodología de caracterización de materiales que abarca 18 propiedades mecánicas individuales por material, altura de capa e impresora, el resultado es un modelo que refleja cómo se fabricó realmente la pieza, en lugar de cómo se idealizó.
Novineer ha demostrado que NoviPath puede simular piezas de un tamaño aproximado al de la hoja de impresión de la F900 (406 mm x 470 mm) en menos de 10 minutos utilizando menos de 8 GB de RAM en hardware estándar (en este caso, un procesador Intel® Core™ 7 240H (2,50 GHz) con 16 GB de RAM instalada y 10 núcleos físicos de CPU). La precisión de estos modelos, en comparación con los experimentos físicos, se sitúa entre el 5 % y el 18 %. Se ofrecerán más detalles en próximos informes técnicos.
La velocidad, la precisión y la validación son parte integral de la arquitectura, no elementos añadidos a posteriori. NoviPath está diseñado para ofrecer resultados precisos con la rapidez suficiente como para que la simulación se convierta en un paso práctico dentro del ciclo de diseño. Un ingeniero puede ajustar la orientación de la impresión, cambiar los ángulos de trama o añadir contornos, ejecutar la simulación y ver el impacto estructural sin salir de GrabCAD Print Pro y sin tener que volver a construir el modelo. Las iteraciones que antes llevaban días se reducen a horas. Ya no son necesarias las impresiones de prueba físicas para la iteración del diseño, lo que reduce el uso de material, el tiempo de impresión y el coste en cada ciclo.
La biblioteca de materiales validados en el momento del lanzamiento incluirá Antero 800NA, FDM Nylon 12CF y ULTEM 9085, con compatibilidad inicial con las impresoras F900, Fortus 450mc y F3300. Los datos de los materiales proceden de rigurosas pruebas con muestras calibradas para impresoras específicas y alturas de corte concretas. En un elevador de una línea de montaje de automoción, Novineer demostró reducciones de peso de hasta un 35 % manteniendo al mismo tiempo los factores de seguridad requeridos, con un tiempo de validación que se redujo de semanas a horas.
Las aplicaciones en las que esto es más relevante son precisamente aquellas en las que la impresión 3D FDM se ha visto frenada: utillajes y accesorios que soportan cargas, ayudas estructurales para la fabricación, soportes en programas aeroespaciales y componentes de dispositivos médicos que requieren una cualificación de rendimiento. En cada caso, la barrera no era la tecnología de impresión. Era la incapacidad de demostrar, con fiabilidad desde el punto de vista de la ingeniería, que una pieza concreta, fabricada de una forma específica, funcionaría bajo una carga determinada. Se trata de un problema de modelización y simulación, y ahora tiene solución.
Hay una tendencia a más largo plazo que merece la pena mencionar aquí. El sector del FDM en general, y Stratasys en particular, lleva más de dos décadas demostrando que es capaz de producir piezas consistentes y fiables. Los materiales están bien caracterizados. Los controles del proceso están perfeccionados. El obstáculo que aún impedía una adopción más generalizada en aplicaciones de producción estructural no ha sido el hardware, sino el rigor de ingeniería y la confianza necesarios para justificar el uso de la FDM en casos en los que el rendimiento es fundamental.
Cerrar esa brecha cambia lo que los ingenieros están dispuestos a diseñar. Los ingenieros que confían en su simulación de FDM dejan de limitar los diseños a lo que se podría mecanizar o moldear por inyección con la misma facilidad. Empiezan a diseñar piezas con geometrías que solo pueden imprimirse en 3D y que aprovechan al máximo las posibilidades únicas que ofrece la fabricación aditiva. Las impresoras 3D ya han demostrado que pueden producir piezas fiables y complejas a escala de producción. Las capacidades de diseño que se abren cuando la simulación elimina la incertidumbre son considerables.
Ese es el cambio al que apunta este trabajo. No se trata de un mejor factor de seguridad. Tampoco de una forma más rápida de aprobar un diseño que ya estaba sobredimensionado. Se trata de un enfoque de simulación que habla el lenguaje del FDM y da a los ingenieros la confianza necesaria para utilizar la fabricación aditiva en todo su potencial.
