Reglas de diseño para impresión 3D en metal: la tabla que conviene tener a mano

Casi todo lo que sale mal en una pieza impresa en metal se decidió en el CAD, semanas antes de encender la máquina. Y casi siempre por lo mismo: se dibujó una pieza pensando en una fresadora y se mandó a imprimir.

Esta es la referencia que conviene tener abierta mientras se dibuja. Ninguno de estos números es una ley: dependen de la aleación, de la máquina, del espesor de capa y de la parametrización, y hay talleres que se salen de ellos a diario porque han cualificado su proceso para hacerlo. Son el sobre dentro del cual una pieza sale a la primera sin conversaciones.

La tabla

Todo esto se aplica a la pieza en la posición en que se va a fabricar, no en la que está dibujada. Es la confusión más frecuente: un agujero es «vertical» u «horizontal» según cómo se coloque en la bandeja, no según cómo esté en el plano.

Espesores: por qué hay un mínimo

Una pared no puede ser más fina que el ancho del cordón que deja el láser, y por debajo de aproximadamente el doble de ese ancho la pared no tiene rigidez para aguantarse mientras se construye. El rasero pasa por encima cada capa, empuja, y una pared demasiado fina se dobla, arrastra polvo o se lleva por delante toda la construcción.

Hay otro efecto menos evidente: una pared fina se calienta y se enfría más rápido que el material que tiene al lado, y esa diferencia genera tensión. Por eso las paredes finas son las que más se alabean, aunque hayan salido enteras.

La regla práctica: si una pared va a soportar carga, no bajes de un milímetro; si es puramente geométrica —una tapa, un carenado, una celosía— se puede bajar más, pero acepta que va a llegar deformada.

Agujeros: el vertical es fácil, el horizontal no

Un agujero vertical —su eje paralelo a la dirección de crecimiento— sale bien y sin soportes, porque cada capa apoya en la anterior. Por debajo de aproximadamente 1,5 mm empieza a quedarse polvo atrapado y sinterizado en la pared, y por debajo de medio milímetro directamente se cierra.

Un agujero horizontal es otra historia: la parte de arriba es un voladizo que crece hacia el centro sin nada debajo. Hasta unos 6 u 8 milímetros de diámetro el material aguanta; por encima, la corona superior se descuelga y el agujero deja de ser redondo.

La solución no es poner soportes dentro —no se pueden quitar— sino cambiar la forma del agujero: darle sección de gota, de rombo o de arco apuntado, de modo que ninguna zona sea plana horizontal. Si el agujero tiene que ser redondo y a cota, se imprime más pequeño y se taladra después.

Canales internos: aquí es donde se pierden las piezas

Ésta es la regla que más caro sale ignorar, y va en dos partes.

La primera: el polvo tiene que poder salir. Un canal por debajo de tres milímetros es muy difícil de vaciar, y el polvo que queda dentro se compacta con el tiempo y con la vibración. En un circuito de refrigeración eso significa un canal que no refrigera; en una pieza aeronáutica, masa no contabilizada que nadie sabe que está ahí.

La segunda: si no se puede vaciar, no se puede inspeccionar. Y una cavidad interna que no se puede mirar ni medir es una cavidad que no se puede certificar.

De ahí salen tres reglas concretas: agujeros de vaciado en los puntos bajos de cualquier circuito, diseñados desde el principio y no añadidos después; trazados sin puntos muertos, donde el polvo pueda caer por gravedad hacia una salida; y cada canal, accesible desde fuera al menos por dos sitios, para poder soplar de lado a lado.

Es lo mismo que se cuenta en refrigeración conformal, y es la diferencia entre un molde que funciona diez años y uno que hay que tirar.

Voladizos y ángulos

La regla de los 45 grados es un punto de partida decente: por encima de ese ángulo respecto a la horizontal, la cara se sostiene sola. Por debajo, o se soporta o se rediseña.

No lo desarrollo aquí porque tiene artículo propio, y es de los que más dinero ahorran: soportes en impresión 3D de metal, con las diez modificaciones de diseño que reducen soportes y por qué los soportes son la partida de coste que más se subestima.

Radios, esquinas y cambios de sección

Nada de aristas vivas interiores. Una esquina interna en ángulo recto concentra tensión durante la construcción igual que la concentra en servicio: es donde aparecen las grietas. Un radio de uno o dos milímetros cuesta cero y quita un problema entero.

Los cambios bruscos de sección son la segunda causa de deformación. Una pieza que pasa de un bloque macizo a una pared fina en una sola capa tiene, en esa capa, dos velocidades de enfriamiento distintas trabajando una contra otra. Se resuelve con transiciones graduales, chaflanes o nervios — todo lo que reparta el cambio en varias capas.

Roscas, pasadores y rasgos pequeños

Roscas: por debajo de M6, imprimir la rosca es tirar el dinero. Sale con un perfil aproximado, sin la resistencia de una rosca mecanizada, y el macho hay que pasarlo igual. Lo sensato es imprimir el agujero con la medida de broca y roscar después. De M8 hacia arriba, una rosca impresa puede valer para funciones no críticas.

Pasadores y salientes finos: más frágiles de lo que parecen, no por la pieza terminada sino por lo que sufren durante la construcción y al retirar soportes. Por debajo de medio milímetro de diámetro, cuentan con perderlos.

Texto: grabado en hueco se lee mejor que en relieve, aguanta mejor el granallado y no se redondea. Y colócalo en una cara vertical o superior: en una cara inferior no se va a leer.

Tamaño, altura y relación de aspecto

Cabe todo lo que entre en el volumen de construcción, pero hay dos límites prácticos antes de ese:

La altura es tiempo. El coste de una pieza LPBF depende mucho más de su altura que de su volumen, porque lo que se paga son capas. Tumbar una pieza puede reducir el tiempo a la mitad — con la advertencia de que cambiar la orientación cambia las propiedades, que es de lo que va anisotropía y orientación.

Lo esbelto vibra. Una pieza mucho más alta que ancha recibe el empuje del rasero en cada capa a un brazo de palanca cada vez mayor. Por encima de una relación de ocho a uno conviene anclarla bien o partirla.

Las tres reglas que valen más que toda la tabla

Si de este artículo solo te quedas con tres cosas, que sean éstas.

1. Diseña para la orientación, no para el plano. Decide cómo se va a fabricar la pieza antes de terminar de dibujarla, y dibújala en esa posición. Casi todas las reglas de arriba dependen de ella.

2. Marca desde el principio qué caras se van a mecanizar. Y dales sobremedida. Es mucho más barato dejar dos décimas de más en tres caras que descubrir al final que la pieza está a cota en bruto pero con el acabado equivocado. De esto va el artículo hermano: tolerancias y acabado.

3. Si la pieza tiene interior, resuelve la salida del polvo antes que la geometría. Es la única regla de esta lista que, si se ignora, no tiene arreglo después.

Cómo lo comprobamos nosotros

En SamyStudio las comprobaciones de espesor, voladizo y accesibilidad se hacen sobre la pieza ya orientada, antes de generar soportes, que es cuando todavía sale barato cambiar algo. Y en las jornadas abiertas el ejercicio es exactamente éste: traer una pieza, ponerla en la bandeja y ver qué reglas rompe.

Que es, con diferencia, la forma más rápida de aprenderlas.

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Por qué unas piezas no deberían imprimirse aunque cumplan todas estas reglas, en cinco piezas que no deberías imprimir. Qué cotas se pueden pedir en bruto, en tolerancias y acabado. Y por qué la orientación forma parte de la especificación, en anisotropía y orientación.

Y cuando toque exportar, los ajustes que sí cambian la pieza están en preparar el fichero: STL, 3MF y la malla.