FDM - Modelado por deposición fundida

La impresión 3D de FDM es un método de fabricación aditiva patentado por el ingeniero mecánico estadounidense y fundador de Stratasys, Scott Crump, en 1989. Crump buscaba una forma más fácil de fabricar prototipos y experimentó con plásticos semisólidos, fundiéndolos manualmente por capas con una pistola de cola. ¿Cuál fue su primera creación? Una ranita de juguete para su hija. Este método lo llamó «Modelado por deposición fundida», o FDM. Cuando Crump hubo desarrollado el software de fabricación asistida por ordenador (CAM) para automatizar el proceso, empezó a vender impresoras 3D por unos 12 000 $. 

Es importante señalar que Stratasys ha patentado el nombre FDM, por lo que otras empresas suelen referirse a esta impresión 3D como la fabricación de filamentos fundidos (FFF), entre otros nombres registrados. En este artículo se utiliza los términos de forma intercambiable. 

Sea cual sea el término empleado, esta tecnología de extrusión de filamento ha recorrido un largo camino. Scott Crump diseñó y fijó el precio de su primera impresora 3D para la elaboración de prototipos industriales en el ámbito de las oficinas, pero en los años 2000 la impresión de tipo FDM se había convertido en el tipo más frecuente de tecnología de impresión 3D de escritorio. Hoy, los consumidores pueden elegir entre diversas opciones de impresoras 3D de FDM por menos de 200 $. Algunas empresas incluso han utilizado los principios FFF para crear un «lápiz» de impresión 3D portátil. El más barato cuesta menos de 100 $ e incluso se vende para uso escolar.

La impresión 3D FDM es un proceso de impresión 3D por extrusión de material. Un carrete alimenta filamento termoplástico a través de un extrusor que calienta, funde y extrude el plástico a través de una boquilla fina. Hay filamentos de 1,75 mm o 2,85 mm de diámetro y las boquillas estándar tienen un diámetro de 0,4 mm. 

El extrusor y la boquilla componen el cabezal de impresión, que se mueve a lo largo de la placa de construcción para ir dibujando cada capa, una después de otra. Sigue un conjunto de instrucciones de un archivo concreto, generalmente en formato GCODE, que, dicho de forma sencilla, contiene una versión en lonchas de una maqueta 3D.

Cada una de esas «lonchas» corresponde a una única capa. Cuanto más alto sea el objeto, más lonchas habrá, lo que supone unos tiempos de impresión más largos. Una gran mayoría de impresoras 3D ofrece un grosor estándar de capa de 0,1 mm. Cuando el cabezal de impresión deposita el filamento, el plástico se funde en la capa anterior y se endurece, con ayuda de ventiladores de refrigeración montados en el cabezal de impresión y/o dentro de la cámara de construcción.

 

La impresión 3D FDM solía conllevar una curva de aprendizaje bastante empinada, pero con el tiempo se ha vuelto mucho más fácil de manejar, gracias a la normalización de funciones, como el nivelado automático de lechos, cámaras de construcción cerradas y recuperación de los cortes de electricidad. Los avances en software y materiales han conseguido que esto sea asequible, un avance tecnológico apto para el uso en oficinas y la FFF ahora es una herramienta extendida que permite fabricar prototipos rápidamente y realizar producciones de bajo volumen.

No obstante, la impresión 3D de filamento también tiene desventajas. Las piezas impresas mediante FDM son anisotrópicas, es decir, son más sólidas en un sentido que en otro. Sus capas suelen verse a simple vista, con unos acabados superficiales ásperos que pueden requerir un posprocesamiento, como el enarenado, centrifugado, pulido por vapor, etc.

La eliminación del soporte, otro paso del posprocesamiento, también es algo imprescindible en las piezas con voladizos superiores a 45 grados. Las impresoras 3D con dobles extrusores pueden, sin embargo, imprimir en 3D plástico y material de soporte soluble al mismo tiempo. El material de soporte soluble es fácil de aclarar y requiere menos acabado superficial.

Las piezas impresas en 3D por FDM suelen ser menos precisas y menos duraderas que las piezas que se elaboran con otros métodos de fabricación aditiva, como SLS o MJF. Las innovaciones en materiales y métodos de impresión, como la impresión 3D de fibra continua, están cambiando esta situación.

Las impresoras 3D de FDM usan una amplia gama de termoplásticos. El más común y fácil de imprimir es el PLA (ácido poliláctico), un termoplástico biodegradable rápido y económico pero de baja resistencia y durabilidad.

También común y más duradero, aunque más difícil de imprimir, es el ABS (acrilonitrilo-butadieno-estireno), un plástico usado en diversos artículos estándar, desde las teclas de un portátil hasta los Legos.

El filamento de nailon (una poliamida, PA) se ha convertido en una alternativa popular al PLA y el ABS, debido a su capacidad de producir piezas FDM duraderas, cuyo uso va desde la prótesis hasta cajas y bastidores. 

También es posible imprimir en 3D termoplásticos versátiles, como el PETG (politereftalato de etileno con glicol añadido), que tiene aplicaciones 3D prácticas para hacer prototipos de packaging de productos de consumo. El TPU, o poliuretano termoplástico, produce piezas impresas en FDM similares a la goma útiles para crear prototipos de piezas, como retenes y juntas. 

Las innovaciones en tecnología y materiales han ampliado los casos de uso para la impresión 3D de FDM más allá de los plásticos. La impresión de FDM con fibra de carbono crea piezas tan sólidas como el aluminio, como el filamento de nailon-fibra de carbono 12 que fabrica Stratasys.
Otras innovaciones exploran la integración de la electrónica en piezas impresas con FDM, con pastas con metal de relleno para crear circuitos integrados, baterías y conductores. The Virtual Foundry, una empresa de Wisconsin, es un ejemplo: fabrican filamentos de FDM con metal, vidrio y cerámica. Tras un proceso de separación y sinterizado para fundir el plástico, las piezas resultantes pueden tener la robustez y las propiedades termodinámicas de los metales y otros materiales sólidos.

Los profesionales utilizan la impresión 3D de FDM para mucho más que la fabricación de prototipos, incluida la fabricación a gran escala y la ingeniería de piezas de gran complejidad. Es particularmente beneficioso para la producción de plantillas y accesorios en industrias como la automoción y la industria aeroespacial. 

En la industria aeroespacial, la empresa Liberty Electronics, de Pensilvania, utiliza las impresoras Stratasys para fabricar piezas impresas en 3D para usar en misiles, lo que reduce los plazos y los costes en un 75 %. Muchas empresas de automoción utilizan la impresión FDM para distintas aplicaciones, desde los prototipos hasta las piezas de coches clásicos. Otro ejemplo significativo es el caso de la empresa alemana BigRep, que ha fabricado una moto totalmente funcional (la NERA), con sus impresoras 3D de FFF.

Con la evolución de las impresoras 3D, surgen otros subprocesos como los SLA y SLS como alternativas al FDM. Sin embargo, el FDM ha venido para quedarse por ahora. Sigue siendo uno de los métodos de impresión 3D más sencillos, muy popular tanto en casa como en el aula. Empresas como MakerBot llevan tiempo comercializando sus productos como una forma divertida y eficaz para que los alumnos adquieran conocimientos sobre distintas materias.

Además, dado que la impresión 3D de FFF es rentable y accesible, permite innovar rápidamente en campos como la medicina. Durante la pandemia del covid-19, las impresoras FDM se han utilizado en todo el mundo para fabricar retenes para los respiradores N95, pantallas transparentes e hisopos para los kits de recogidas de muestras virales. 

En el momento en que se redacta esto, la impresión 3D basada en filamento sigue siendo ideal para la fabricación de prototipos, por las dudas que puede plantear su durabilidad. Sin embargo, como muestran los ejemplos anteriores, muchas empresas están ampliando los tipos de filamentos que utilizan en la impresión 3D por extrusión de material. Es probable que las innovaciones sigan avanzando y que la impresión 3D de FDM se convierta en una tecnología aditiva importante durante muchos años.