Tipos de sistemas de Extrusión

El extrusor en una impresora 3D tipo FDM consta de un elemento mecánico accionado por un motor cuyo objetivo es traccionar el filamento desde la bobina para enviarlo al cabezal donde se funde y se deposita en la zona de impresión.

Los distintos tipos de extrusores se pueden clasificar según el montaje en 2 clases:

● Extrusión directa: El mecanismo se monta sobre el cabezal de impresión de manera que el filamento ingresa inmediatamente a la zona caliente para ser fundido.

● Sistema Bowden: Por definición, el sistema Bowden es un sistema de accionamiento mecánico constituido por un cable desplazable en el interior de una vaina flexible.

Esto permite que pueda ser montado en cualquier punto fijo.

En la siguiente ilustración se muestran los distintos tipos de extrusor según el montaje:

Ilustración 26:a) Extrusor tipo Bowden b) Extrusión directa.

A continuación, se detallarán las ventajas y desventajas de los distintos sistemas de

Extrusión directa

Como se mencionó anteriormente, este sistema se monta sobre el cabezal de impresión.

Debido a esto se puede tener una mayor precisión sobre el caudal del filamento ya que el material extruido se envía directamente a la zona caliente, reduciendo la posibilidad de que el mismo se comprima y/o flexione durante el recorrido. Es por este motivo que este tipo de sistema permite la impresión de materiales flexibles y materiales con cualquier tipo de diámetro, dando la posibilidad también, en el caso de un atasco, de empujar el filamento, para obligarlo a salir por la boquilla (Ver Ilustración 27). El hecho de tener mayor control en el caudal del filamento permite obtener piezas con mayor calidad de impresión.

Ilustración 27: Obstrucción en sistema de extrusión directa.

Sin embargo, este sistema obliga a colocar el motor de accionamiento en el cabezal, lo cual provoca un mayor peso y mayor inercia en el caso de que el cabezal deba moverse, provocando fallas en la pieza al alcanzar grandes velocidades de impresión (Ver Ilustración 28). Es importante tener en cuenta que el peso de un motor promedio utilizado en el sistema de extrusión es de alrededor de 500 gramos, mientras que el resto del cabezal puede pesar alrededor de 100 gramos, por lo que el sistema de extrusión directa puede incrementar el peso del cabezal aproximadamente cinco veces. Otro inconveniente de la extrusión directa es que, si la impresora es cerrada, se dificulta mucho intervenir el mismo en caso de un posible atasco o un mantenimiento de rutina (Ver Ilustración 29).

Ilustración 28: Efecto de las vibraciones provocadas por la inercia en la calidad de impresión.

Ilustración 29 :Ejemplo acceso complejo en impresoras semi cerradas.

Sistema Bowden

Este sistema cuenta con la posibilidad de montarse en cualquier punto de la impresora, por lo que se puede colocar en zonas donde sea fácil su intervención. Esta ventaja se suele aprovechar para colocar el extrusor en la estructura de la impresora, quitándolo del cabezal y reduciendo así el peso y la inercia del mismo, generando que este pueda desplazarse a mayores velocidades Para comparar, la velocidad máxima de una impresora con sistema de extrusión directa ronda los 80 mm/s, mientras que una impresora con sistema de extrusión Bowden puede alcanzar los 100 mm/s, es decir, aproximadamente un 25% más rápida. También este sistema obliga a colocar una vaina flexible (Ver Ilustración 30) por donde se desplaza el filamento para guiarlo al cabezal, la cual adicionalmente protege al filamento de su exposición al ambiente evitando que ingresen partículas de polvos las cuales al quemarse crean carbonos que atascan la boquilla y son difíciles de quitar.

Ilustración 30: Partes del sistema Bowden.

En contraposición con el sistema de extrusión directa, el Bowden tiene un menor control sobre el caudal del filamento. Además, debido al trayecto que debe recorrer el filamento hace que se vuelva más difícil imprimir materiales flexibles y de diámetros pequeños (Ilustración 31) debido a que hay un cierto juego necesario entre el filamento y la vaina.

Por lo general, en este tipo de sistema se suelen utilizar filamentos de 2,85mm de diámetro, los cuales son menos esbeltos en comparación con los demás filamentos comerciales de 1,75mm de diámetro, y así se intentan reducir los problemas anteriores.

Ilustración 31: Flexión del filamento dentro de la vaina.

Otra desventaja es que cuando no se desea extruir material no, bastará con dejar de empujar el filamento, ya que la presión que se utilizó para hacer fluir el material deja una presión residual, la cual hará que el material siga fluyendo. Es por esto que cada vez que el cabezal se mueva a una nueva posición y no sea necesario aportar material, se deberá retraer el filamento la distancia necesaria para que este se descomprima y se libere la presión en el interior. Ya que en general los plásticos no son materiales rígidos, cuanto mayor sea la distancia entre el extrusor y el cabezal, mayor será la compresión del filamento necesaria para alcanzar la presión adecuada en la boquilla. Esto hace que también la distancia de retracción necesaria para liberar esa presión sea mayor. Es por esto que mientras que en sistemas directos las distancias de retracción suelen estar entre 0.8 mm y 2 mm, en sistemas de extrusión Bowden pueden alcanzar valores de 5 o 6 mm. Si no se retrae el material, se puede generar el fenómeno conocido como stringing (Ver anexo I).

A continuación, se resumirán las ventajas y desventajas de ambos sistemas en una tabla:

Tabla 2: Comparación Sistema Bowden y Sistema directo.