Ensambles impresos en 3D: una forma de simplificar los montajes

En carpintería, los ensambles se refieren a las uniones entre dos piezas de madera que se empalman geométricamente. Esta técnica garantiza uniones fuertes con poca o ninguna ayuda de elementos de fijación, como clavos o tornillos. Es útil porque garantiza una conexión sólida con un proceso de montaje menos complicado. Sin embargo, suele implicar formas complejas que lleva tiempo diseñar y crear, mientras que los pernos y tornillos solo requieren un agujero y un elemento de fijación fabricado en serie.

La impresión 3D puede ser un método de fabricación práctico porque imprimir geometrías complicadas no suele ser más caro que imprimir un bloque. En cambio, la impresión FDM está limitada por las propiedades del material y el proceso de fabricación por capas. Así pues, diseñar para la impresión 3D requiere una nueva mentalidad, y parte de esa mentalidad consiste en aprovechar la libertad geométrica de una impresora 3D para reducir la complejidad y el coste del ensamblaje final. Una forma de lograrlo es fijándonos en la carpintería inventada para trabajar la madera y el moldeo por inyección, y aplicar eso a las limitaciones de la impresión 3D. En este artículo, hablo de cómo aprovechar uniones sencillas como las colas de milano y los encajes a presión para mejorar los diseños de uniones impresas en 3D, complementado con algunos ejemplos.

Colas de milano

A la hora de empalmar dos piezas, mucha gente piensa en ángulos rectos. Y esto es eficiente, especialmente cuando se piensa en el mecanizado; los ángulos rectos son generalmente mucho más fáciles y rápidos de hacer que otros ángulos, ya que requieren menos preparaciones y no necesitan brocas especiales ni mesas de posicionamiento. Sin embargo, para una impresora 3D, las colas de milano y las paredes rectas son lo mismo. Sin ningún esfuerzo adicional, se puede empalmar otro grado de libertad. Esto resulta útil en muchos casos, ya sea en ensamblajes deslizantes o en uniones en «T» sin tornillos.

Cuando piense en ángulos, tenga en cuenta que la conocida cola de milano no es la única aplicación. La caja deslizante de dos piezas que se muestra arriba consigue la misma sujeción que una cola de milano, pero se parece más a una placa con lados angulares. Esto hace que se deslice con la otra mitad de la caja con facilidad, e incluso incluye un pequeño retén en el extremo para cerrarla a presión. Esta forma sería muy difícil de fabricar con muchos otros sistemas, pero la Mark Two fue capaz de imprimir en 3D juntas sin materiales de soporte y lograr un gran ajuste.

Consulte nuestra Guía de diseño con composites

Yendo aún más lejos, la geometría angular en general puede ayudar en la impresión 3D. Por ejemplo, la impresión de un perfil en «V» lateral, que se muestra abajo a la izquierda, puede crear un empalme que sería difícil de mecanizar, pero sencillo de imprimir. Mientras tanto, un machihembrado clásico, como el que se muestra a la derecha, es difícil de conseguir con la mayoría de las impresoras debido al saliente que crea. Este saliente da lugar a una cara inferior mal apoyada y con mala precisión dimensional, y debe evitarse en la medida de lo posible.

Encajes a presión

Los encajes a presión son un método muy utilizado para unir piezas moldeadas por inyección de forma económica. Son buenas formas para los plásticos porque se mantienen dentro de las limitaciones geométricas de la fabricación de moldes y aprovechan la capacidad del plástico para deformarse elásticamente y recuperar su forma. Dado que los ajustes a presión están diseñados para plástico, se adoptan fácilmente para la impresión 3D… en el plano XY. La mayoría de los usuarios de impresoras 3D saben que los objetos impresos en impresoras FDM de escritorio son considerablemente más susceptibles de fallar en tensión a lo largo del eje Z (apuntando hacia fuera de la placa de impresión) que en X e Y, debido a los límites entre capas. Dado que los encajes a presión suelen tener secciones transversales finas (para reducir el momento de flexión del clip), los encajes a presión impresos en 3D deben imprimirse «tumbados» en la plataforma de fabricación, para que no corran el riesgo de cizallarse tras un uso continuo.

Este diagrama muestra una visualización exagerada de las capas de un ajuste a presión impreso. Cuando se imprime en posición vertical (imagen de la izquierda), las fuerzas que desvían el ajuste a presión también ejercen tensión entre las capas, lo que aumenta considerablemente las probabilidades de que se rompa. Impreso en su parte posterior (imagen central), el ajuste a presión es claramente más fuerte, pero sigue teniendo un plano de cizallamiento entre el diente y el brazo. Sin embargo, si se imprime tumbado de lado (imagen de la derecha), el ajuste a presión no tiene límites de capa en su sección transversal, lo que le confiere una resistencia más predecible. Y, si el ajuste a presión es lo suficientemente grande, imprimirlo de lado permitiría enrutar la fibra en el diente, aprovechando así toda la fuerza de una pieza de Markforged. Esta misma regla se aplica a los dientes de los engranajes, los dientes de las carracas y cualquier otro saliente que deba soportar una carga significativa.

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Tenga en cuenta también que los ajustes a presión pueden adoptar muchas formas en función de la aplicación, y que el diseño y la orientación del ajuste a presión pueden variar según cada proyecto. En concreto, los encajes a presión que salen de la impresora 3D no están limitados por grosores ni por las formas del molde, por lo que puede ser creativo a la hora de colocarlos (véase abajo). Las impresoras facilitan y agilizan la creación de prototipos, lo que permite probar varias geometrías antes de decidirse por la forma definitiva.

Aplicación práctica: soporte para móvil

Para mostrar los ajustes deslizantes y los mecanismos de encaje, diseñé este soporte para móvil que se engancha en la cubierta de la Mark Two y sujeta cualquier móvil de entre 2,5 y 4 pulgadas de ancho, para que un operario pueda grabar un vídeo de time lapse o supervisar una impresión delicada.

Este soporte para móvil solo tiene tres piezas y dos acoplamientos. Una de esos encajes es una junta de torsión que actúa como bisagra. Aunque no se parece mucho a una cola de milano, sirve para lo mismo: permite un ajuste deslizante fácilmente imprimible, gracias a ángulos complementarios.

El otro acoplamiento funciona como una carraca lineal con paredes en ángulo (para evitar que se separen) y dientes para ajustar la anchura del soporte. Sería un acoplamiento muy difícil de mecanizar por otros medios, pero fue muy fácil y rápido de imprimir.

Nota sobre las tolerancias

Como en todo, los ensambles obligan a diseñar las tolerancias. En la impresora 3D de composite Mark Two, para la mayoría de casos, un espacio de 0,08 mm entre cada pared (0,16 mm diametralmente) es suficiente para permitir que dos piezas consigan un ajuste deslizante de forma consistente. Si una de las superficies está sostenida por material de apoyo, pruebe a aumentar la separación a 0,15 mm más o menos. Por supuesto, las piezas impresas en 3D tienden a variar mucho, así que asegúrese de realizar pruebas unitarias y prototipos para conseguir el ajuste deseado.

Este es solo un pequeño ejemplo de cómo diseñar pensando en los ensambles puede dar lugar a diseños más sencillos y mejor adaptados a su impresora 3D. Si se le ocurre alguna unión que se pueda imprimir, ¡menciónenos en Twitter añadiendo @MarkForged para compartir sus diseños!