‹ Atrás

Blog

Patrones de Relleno en Impresión 3D: Cómo Elegirlos para Máxima Resistencia a la Compresión

13/03/2023

¿Alguna vez te has preguntado cuánto puede llegar a resistir una pieza de impresión 3D en caso de ser aplastada? Pues gracias al equipo de investigación y recolección de datos de CESGAR, logramos obtener la respuesta a esa pregunta, y después de algunos análisis y un ensayo a compresión, logramos traer una conclusión respecto a la resistencia que tendrá una pieza de acuerdo a su patrón de relleno. Es aquí donde los Patrones de Relleno en Impresión 3D juegan un papel crucial, determinando en gran medida la durabilidad y resistencia de las piezas frente a diversas fuerzas y presiones.

Como es sabido, en el mundo de la impresión 3d cada pieza es única, ya que, gracias a diversos programas de personalización de parámetros de impresión, se podrá modificar a detalle como queremos que sea el resultado final de nuestra figura. Pero, en este caso, nos centraremos en un parámetro con el cual, sin este, cualquier pieza seria hueca y únicamente contará con su estructura exterior la cual no será capaz de darle la suficiente resistencia a distintos esfuerzos exteriores que se le presenten.

El patrón de relleno:

El patrón de relleno en la impresión 3D determina cómo se llena el interior de una pieza. Puede ser desde completamente sólido hasta patrones de rejilla o panal de abeja. Este patrón afecta la resistencia, el peso y otros aspectos de la pieza. Por ejemplo, un relleno denso es bueno para piezas fuertes, mientras que un relleno más ligero reduce el peso y el material utilizado. Elegir el patrón adecuado es importante para obtener el rendimiento deseado de la pieza impresa en 3D.

Tipos de patrón de relleno:

Rejilla: Llena la pieza con una red de líneas paralelas horizontales y verticales, proporcionando una estructura resistente.

Triángulos: Utiliza líneas diagonales para crear una serie de triángulos dentro de la pieza, ofreciendo una distribución de relleno única y una buena resistencia.

Trihexagonal: Emplea un patrón de relleno hexagonal con pequeños triángulos dentro de cada celda hexagonal, proporcionando una combinación de resistencia y ligereza.

Cúbico: Rellena la pieza con una estructura de celdas cúbicas, ofreciendo una buena resistencia en todas las direcciones.

Subdivisión cúbica: Divide cada celda cúbica en subdivisiones más pequeñas, lo que puede mejorar la precisión del relleno y la calidad superficial de la pieza.

Octeto: Utiliza una estructura de celdas octeto para rellenar la pieza, lo que puede ser útil para ciertos diseños específicos.

Cúbico bitruncado: Similar al patrón cúbico, pero con esquinas truncadas, lo que puede mejorar la resistencia y reducir el uso de material.

Concéntrico: Rellena la pieza con anillos concéntricos alrededor de un punto central, lo que puede proporcionar una distribución uniforme del material y una buena resistencia.

Zigzag: Utiliza un patrón de zigzag para rellenar la pieza, lo que puede ser útil para ciertas aplicaciones estéticas o para reducir el tiempo de impresión.

Cruz: Llena la pieza con una serie de cruces entrelazadas, proporcionando una estructura resistente y uniforme.

Cruz 3D: Similar al patrón de cruz, pero con una estructura tridimensional, lo que puede mejorar la resistencia en todas las direcciones.

Giroide: Utiliza un patrón giroide complejo y poroso, que puede ofrecer una excelente resistencia y ligereza al mismo tiempo que reduce el uso de material.

Líneas: Rellena la pieza con líneas paralelas en una dirección específica, lo que puede ser útil para optimizar la resistencia en una dirección particular.

Ensayo realizado

En CESGAR, y gracias a la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Bogotá D.C., realizamos un ensayo de resistencia a esfuerzos normales en 3 distintos cubos de impresión 3D, cada uno con un patrón de relleno distinto. ¿Por qué solo 3? Elegimos los 3 patrones de relleno más utilizados tanto en la industria como en CESGAR, teniendo en cuenta sus ventajas y desventajas, para lograr analizar el comportamiento de estos y que tan fiables llegan a ser para nuestros clientes.

¿Con que material? Ya que cada material de impresión 3D (PLA, ABS, PET…) tiene un comportamiento mecánico distinto, se seleccionó PLA para los 3 cubos y así poder conseguir resultados más estables y de acuerdo a una misma base.

Uno por uno se fue colocando los cubos en una maquina de ensayos de compresión. Esta maquina empieza con una muy ligera fuerza hasta que el pistón superior se situé en la superficie del cubo de tal manera que este no pueda retirarse, a partir de ese momento se obtiene una carga inicial. Después la maquina empieza a realizar fuerza hacia abajo, comprimiendo el cubo poco a poco, hasta que el cubo llegue a su falla, lo cual significa que esta sufra alguna fractura y deformación anormal, por lo cual la maquina se detendrá automáticamente. Aquí los datos obtenidos

Como se puede apreciar, el primer cubo al utilizar líneas diagonales para formar una serie de triángulos, obtiene una buena resistencia a la compresión, ya que los triángulos son formas geométricas estables que proporcionan una configuración que distribuye la carga de manera uniforme a lo largo de su superficie a la cual se le aplico el esfuerzo. A pesar de su resistencia, obtuvo fracturas en las paredes exteriores, lo que deja ver que, a pesar de resistir una gran carga, tiene un punto de quiebre, y a pesar de ser descargado, mantiene la misma deformación obtenida gracias a la carga aplicada, un comportamiento típico de materiales plásticos.

Con el patrón giroide se puede apreciar que, gracias a su estructura porosa y compleja, brinda una perfecta combinación de resistencia y ligereza, reduciendo el peso y uso de material, sin embargo, su porosidad no es del todo eficaz para resistir esfuerzos a compresión directa, ya que, como se pudo apreciar en el ensayo, se comprimió fácilmente con esfuerzos mucho menores a los otros dos cubos. Gracias a que después de ser descargado no recupero su forma, pero, tampoco se fracturo, se puede llegar a la conclusión que es un patrón con comportamientos mecánicos dúctiles, es decir, se deforma fácil, pero requiere más esfuerzo para fallar.

En el tercer cubo, los pequeños triángulos que se forman entre su estructura hexagonal, brindan una distribución uniforme de carga y buena resistencia, sin embargo, ya que no toda la estructura tiene este patrón, su rendimiento final fue ligeramente menor al primer cubo. Al igual que el patrón triangular, este presento fracturas exteriores notables, y gracias al esfuerzo aplicado, la forma original del cubo no se recuperó después de su descarga.

Conclusión

Después de realizar el ensayo en 3 patrones de relleno y analizar los resultados dando a conocer sus comportamientos mecánicos, se puede concluir que no hay un patrón de relleno mejor que otro, ya que cada uno tendrá una finalidad en la cual tendrá mejor rendimiento que los demás, como lo puede ser el patrón giroide respecto a piezas donde se necesite poco material pero un comportamiento deformable fácil, con aplicaciones en componentes estructurales livianos o aplicaciones medicas ( teniendo en cuenta que se puede utilizar con otro tipo de materiales). En cambio, los patrones trihexagonal y triángulos, permiten que las piezas, en conjunto con el material, sean de una alta resistencia, donde el esfuerzo se dispersara de manera homogénea alrededor de la superficie donde se realice, brindando aplicaciones para componentes estructurales robustos, herramientas, prototipado para la industria automotriz, componentes de ingeniería civil, y mucho más. Recuerda que el único límite de la impresión 3D es el que uno estipula, así que prueba salir de tu zona de confort con diferentes materiales, patrones de relleno y parámetros de impresión. Con esta mentalidad de exploración y experimentación, el potencial de la impresión 3D es verdaderamente ilimitado.