Diseño y fabricación de piezas estancas en 3D. Guía de instrucciones

El diseño de piezas estancas y su fabricación a través de impresión 3D, supone un reto técnico no tan trivial en la industria del prototipado. Recordemos que a diferencia de las técnicas de fabricación en la industria, la impresión 3D no deja de ser un proceso de conformación de piezas, capa a capa y en un entorno mucho más frío y menos propenso a la fundición del material. 

Con la definición de piezas estancas, nos referimos a diseño de piezas que una vez materializadas, impidan el paso de líquidos o gases a través de su superficie. El reto del diseño de piezas estancas para fabricación en 3D, es precisamente la inconsistencia natural (por el método de fabricación) que padecen las piezas resultantes según métodos de fabricación 3D.

A continuación, enumeramos algunas medidas que tomamos en Let´s Prototype, para conseguir piezas estancas para el ensamblaje de prototipos. Algunas de estas medidas afectarán el proceso de diseño de las piezas y otras, harán alusión de forma específica al ciclo de fabricación de las piezas estancas. 

diseñar piezas estancas

Consejos útiles para diseñar piezas estancas para su posterior fabricación.

A continuación, aportamos algunos consejos para diseñar piezas estancas, siempre pensando en su posterior fabricación, a través de medios de fabricación 3D. Esta especificación es relevante, ya que, en el futuro de la pieza, cuando sea requerida la fabricación industrial del producto, también será necesaria una ligera reforma en el diseño de la pieza, para adaptarla a los nuevos métodos de fabricación, mucho más propensos a la fabricación de piezas estancas. 

Espesores de las paredes: Para conseguir la estanqueidad de las piezas en 3D, es importante aportar a sus paredes un espesor mayor de 2mm. En algunas piezas, según su uso, puede resultar un poco sobredimensionado el diseño, en cambio, según nuestra experiencia en la fabricación de prototipos con estas características, las paredes de inferiores a dicho espesor, suelen presentar riesgos de fuga de líquidos tras los primeros test de estanqueidad del prototipo. 

Regularidad de las superficies: Para diseñar piezas estancas, que eviten la fuga de líquido, es clave mantener geometrías estables, o sea, evitar bordes vibbo o cambios sustanciales de sección en la superficies del diseño de la pieza. Estos cambios de forma en el diseño, aunque son totalmente viables para fabricación con impresión 3D, pueden debilitar la impermeabilidad de las piezas. 

Uniones en el diseño: el diseño de piezas suele requerir uniones o juntas, que son elementos críticos para el diseño estanco. Las tolerancias propias de la fabricación con métodos de prototipado, ponen en riesgo la estanqueidad de las piezas. Por esta razón, en el diseño, en caso inevitable, deben utilizarse diseños de canales para junta tórica o bien utilizarse técnicas de diseño de perfiles salientes para conseguir la unión estanca de partes de la pieza diseñada.

Evitar puentes sin soporte: La aplicación de soportes en el diseño, útiles para la conformación de las piezas diseñadas, es crítico para conseguir piezas estancas con 3D. Nuestro equipo de diseño industrial, recomienda reducir y evitar a toda costa, el uso de superficies tipo puentes o voladizos sin un soporte robusto en la pieza. El uso de soporte, en exceso, permite un resultado más compacto en el proceso de obtención de las piezas estancas con 3D.

Diseños suaves de inclinaciones: En caso de que la pieza requiera inclinaciones o curvas en la geometría, para conseguir el diseño estanco de las piezas, es clave minimizar el uso de ángulos agudos en el diseño. Estos ángulos en el diseño de piezas estancas, pueden generar porosidad.

Configuración de impresoras 3D para fabricar diseños de piezas impermeables.

Para materializar diseños de piezas impermeables en 3D, es fundamental la calibración y configuración de parámetros en las impresoras 3D. A continuación, aportamos información útil para establecer parámetros de impresión de piezas estancas en FDM y en SLA, que son los medios más comunes en laboratorios de prototipado

Parámetros de impresión FDM para fabricar piezas impermeables.

Altura de capa: La altura de las capas, hace referencia al espesor de cada una de las capas que se adicionan en el proceso de conformación de la pieza estanca. En estos casos, es muy recomendable alturas de capa de 0.1 mm para conseguir piezas más compactas. 

Infill: La definición de infill para fabricar diseños de piezas, hace referencia a la cantidad de relleno de material que contiene la pieza. Teniendo en cuenta la naturaleza de la fabricación 3D, para conseguir diseños estancos, es clave  configurar un infill (relleno) del 100%. 

Temperatura de extrusión: La temperatura de extrusión del material, durante el proceso de conformación de una pieza estanca debe ser muy alta, esto permitirá mejor fundición entre las capas y evita poros que comprometan la estanqueidad de la pieza. 

Ancho de línea: El ancho de la línea deberá ser ligeramente superior al Nozzle de la impresora 3D. Concretamente, en Let´s prototype, configuramos la impresora en la línea de width, en 0.45 mm.

Nº de perímetros: La configuración de perímetros para la fabricación de piezas impermeables, deberá ser siempre superior a los 3 perímetros en la zona exterior. 

Flujo de material: El ajuste de flujo de material para las piezas estancas, deberá ser de entre 105 y 110% en caso de existencia de sub-extrusión. 

Post procesado: El post procesado de las piezas diseñadas y fabricadas en impresoras 3D, es crítico para conseguir estéticas de prototipo funcional cercano al aspecto de productos finales. En cambio, para conseguir piezas estancas, el postprocesado de las piezas no solo cumple con requerimientos estéticos, ya que este proceso es el que permite tupir posibles poros resultantes que comprometan la impermeabilidad de las piezas. 

En los diseños de piezas estancas fabricadas con 3D, para el postprocesado, se utilizan técnicas artesanales como: aplicación de resinas epoxi u otros recubrimientos útiles para el sellado. Incluso, aplicamos resinas fotosensibles para posterior curación de la pieza.

Parámetros de impresión SLA para fabricar piezas estancas.

En caso de que el diseño de piezas estancas se materialice mediante técnicas de impresión SLA, es fundamental elegir materiales tipo Tough. Se trata de una familia de materiales que son compatibles con las características de los materiales de uso industrial. 

Otro consejo útil para fabricar piezas estancas con resinas, mediante SLA, es asegurarnos de completar el máximo tiempo posible de curación, este proceso garantiza máxima solidez de las piezas. 

El proceso de curación de piezas estancas es tan crucial para evitar poros que comprometan la estanquidad, que en Let´s Prototype sometemos la pieza estanca a un proceso de postcurado, consistente en la aplicación de UV por ciclos superiores a los 30 minutos. 

Materiales recomendados para la fabricación de piezas estancas en 3D

Tanto en métodos de fabricación FDM o SLA, es fundamental la elección de materiales que garanticen las mejores prestaciones de adherencias entre las capas. En la fabricación de prototipos estancos, utilizamos habitualmente los siguientes: 

FDM: TPU, PETG, ABS + Acetona, Nylon. 

SLA: Resinas de la familia Tough, resinas flexibles y TPU

¿Cómo comprobar la estanqueidad de las piezas?

Antes de ensamblar el prototipo con necesidad de partes estancas, las piezas más comprometidas deben ser sometidas a los conocidos test de estanqueidad para prototipado. Concretamente, en nuestro laboratorio, realizamos los siguientes:

  • Test de presión con aire y agua: Uso de cabinas artesanales donde se pueden conectar de forma intuitiva cámaras sumergidas y compresores bajo presión. 
  • Test de vacío.
  • Pruebas con alcohol isopropílico para la detección de filtraciones no visibles al ojo humano.

Existen otras técnicas para fabricar diseños de piezas estancas, se trata de métodos artesanales para obtener estas piezas impermeables, que van desde el uso de CNC hasta el moldeo ágil y frío. 

Si necesitas una valoración de diseño sobre las piezas más comprometidas de tu idea de producto, estaremos encantados. 

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