Estudio Revela Cómo la Altura de la Capa y el Color del Filamento Afectan al PLA Impreso en 3D

Imagine usar la misma impresora 3D con material PLA idéntico, pero producir piezas con características de rendimiento dramáticamente diferentes simplemente alterando la altura de la capa o cambiando los colores del filamento. Este desconcertante fenómeno no es infrecuente en las aplicaciones de Modelado por Deposición Fundida (FDM). Este artículo examina cómo estos factores aparentemente menores—altura de la capa y color del filamento—pueden influir significativamente en las propiedades mecánicas y la precisión dimensional de las impresiones de ácido poliláctico (PLA), proporcionando información para optimizar los parámetros de impresión 3D.

La Fabricación Aditiva (AM), comúnmente conocida como impresión 3D, está transformando rápidamente la producción industrial. Anunciada como una tecnología de vanguardia de la "Cuarta Revolución Industrial", su principio fundamental implica la construcción de objetos tridimensionales mediante la deposición sucesiva de material. En comparación con los métodos de fabricación convencionales como el mecanizado o la fundición, la impresión 3D ofrece distintas ventajas:

• Eficiencia de costos y tiempo: Eliminar la necesidad de herramientas permite la producción directa de piezas a partir de modelos CAD, lo que reduce significativamente los costos y los plazos de entrega.
• Complejidad geométrica: Facilita la fabricación de diseños intrincados inalcanzables mediante métodos tradicionales.
• Prototipado rápido a producción: Realiza una transición fluida desde la validación del concepto hasta la fabricación del producto final.
• Conservación de materiales: Construye componentes capa por capa, minimizando el desperdicio de material.

Estos beneficios han impulsado una adopción generalizada en los sectores industrial, educativo, médico y de consumo, con proyecciones de mercado que indican un crecimiento sostenido.

Entre las diversas técnicas de impresión 3D, FDM destaca por su asequibilidad y simplicidad operativa. El proceso alimenta filamento termoplástico a través de una boquilla calentada, depositando material fundido en capas precisas para formar objetos tridimensionales. El PLA sigue siendo el material FDM más frecuente debido a su bajo punto de fusión, facilidad de impresión, toxicidad mínima y orígenes renovables. Disponible en múltiples colores, el PLA sirve para diversas aplicaciones.

A medida que la impresión 3D pasa del prototipado a la fabricación, la optimización de los parámetros se vuelve crítica. La calidad del producto final—que abarca la precisión dimensional, la deformación, la desviación de la masa, la porosidad y la textura de la superficie—depende de numerosas variables de proceso interrelacionadas. A diferencia de la fabricación convencional, la resistencia de las piezas FDM está determinada por la estructura interna en lugar de las propiedades del material a granel.

Los investigadores han investigado múltiples parámetros, incluyendo la temperatura de impresión, la temperatura de la placa de construcción, el grosor de la capa, la velocidad de impresión, la orientación, el ángulo de trama, el patrón/densidad de relleno, las condiciones de almacenamiento, el post-procesamiento y el envejecimiento. Sin embargo, las especificaciones del material (color, diámetro, fabricante) y las variables del equipo (entorno de construcción abierto/cerrado) a menudo reciben una atención inadecuada en los estudios.

La altura de la capa—típicamente limitada a la mitad del diámetro de la boquilla—representa uno de los parámetros FDM más estudiados. Si bien el aumento de la altura de la capa reduce el tiempo de impresión, compromete la resolución de la pieza. Esta compensación entre la eficiencia de la producción y la reproducción de detalles requiere una cuidadosa consideración.

El consenso académico con respecto a la influencia de la altura de la capa en las propiedades mecánicas sigue dividido. Algunos estudios informan un efecto mínimo en la resistencia de las piezas de PLA, mientras que otros identifican la altura de la capa como el factor predominante que afecta la resistencia a la tracción final (UTS). Existen hallazgos contradictorios con respecto a las tendencias—la mayoría de los investigadores observan un aumento de la UTS con una altura de capa reducida, aunque algunos informan relaciones inversas o rangos intermedios óptimos.

Estas discrepancias probablemente se deben a las variaciones en las combinaciones de parámetros que crean distintas condiciones térmicas, agravadas por amplios rangos de altura de capa (0,06 mm a 0,6 mm) en los estudios.

La investigación que examina la influencia del color en las propiedades mecánicas del PLA en diferentes alturas de capa sigue siendo escasa. Muchos estudios omiten por completo el color de la muestra, lo que refleja las suposiciones convencionales sobre su insignificancia. Los fabricantes suelen proporcionar datos de material idénticos para todos los colores de PLA, sin embargo, los aditivos de pigmentos pueden alterar el comportamiento térmico—afectando la adhesión entre capas y, en última instancia, el rendimiento mecánico.

La evidencia emergente sugiere variaciones de UTS de hasta el 31% entre muestras de PLA de color impresas de forma idéntica. Sin embargo, no existen estudios que analicen exhaustivamente las interacciones entre el color y la altura de la capa en la UTS.

Una extensa investigación confirma el impacto sustancial de la altura de la capa en la precisión de las piezas de PLA. Dentro del rango de 0,05 mm a 0,5 mm, la mayoría de los estudios demuestran una precisión dimensional superior con alturas de capa reducidas, aunque las desviaciones varían en los ejes X, Y y Z dependiendo de la orientación de la construcción.

Una investigación notable correlacionó la velocidad de impresión (50-70 mm/s) y la altura de la capa (0,10-0,20 mm) con la precisión dimensional de las piezas de prueba presentadas. Los hallazgos enfatizaron la interdependencia parámetro-geometría, aunque el rango de altura de capa estrecho (0,10-0,20 mm) representa los puntos de referencia típicos de precisión del PLA.

Solo dos estudios identifican explícitamente el color del PLA como un factor que afecta la precisión dimensional, ninguno de los cuales examina las interacciones color-altura de la capa. Uno estableció combinaciones óptimas de color-orientación (blanco/gris/negro) para la precisión, mientras que otro (usando muestras rosa/gris/verde/transparentes a capas de 0,5 mm) estudió los efectos de los pigmentos a diferentes temperaturas. La mayoría de los estudios carecen de especificaciones completas del material cuando el color no es una variable controlada.

Este estudio evalúa cómo el color del PLA influye en la relación entre la altura de la capa y la resistencia mecánica/precisión dimensional en la impresión FDM. Al aislar el color (natural, negro, rojo, gris) y la altura de la capa (0,05 mm, 0,10 mm, 0,15 mm, 0,20 mm) como únicas variables, manteniendo al mismo tiempo parámetros de impresión consistentes, la investigación tiene como objetivo aclarar estas interacciones críticas.