Design for Additive Manufacturing - DfAM

Introducción

El Diseño para Fabricación Aditiva (DfAM, por sus siglas en inglés) es un conjunto de lineamientos y técnicas que permiten optimizar la fabricación de objetos por Impresión 3D, así como mejorar el rendimiento de los equipos y disminuir el consumo de materiales. El DfAM surge como respuesta a la libertad geométrica que trae consigo la fabricación capa a capa, tomando en cuenta capacidades y limitaciones de las diferentes tecnologías. La libertad geométrica trae consigo la posibilidad de fabricar objetos con formas complejas u orgánicas que no serían posibles de manufacturar con tecnologías de fabricación tradicionales como inyección, fundido o mecanizado. Por ello, es necesario adaptar el proceso de diseño a las características específicas de la Impresión 3D, aprovechando así al máximo las ventajas de esta innovadora tecnología.

El DfAM abarca diversas estrategias que pueden aplicarse según el objetivo y la aplicación del producto. Algunas de estas estrategias son:

• Guías básicas de diseño

• Optimización Topológica

• Estructuras Lattice

Guías de Diseño

Las guías para Impresión 3D son una serie de recomendaciones y buenas prácticas que se deben seguir para garantizar la calidad y viabilidad de las piezas pensadas a ser fabricadas por Impresión 3D. Las guías son específicas para cada tecnología y puede haber ligeros cambios según marca y hasta equipo, aún siendo de una misma tecnología, ya que cada tecnología tiene una metodología de fabricación y, dependiendo de esto, fabricar una geometría particular podría requerir distintos parámetros de fabricación o llegar a ser inviable de imprimir por la tecnología elegida.

Algunos de los aspectos que se deben tener en cuenta al diseñar para impresión 3D son el tamaño y la orientación de la pieza, espesor y ángulo de paredes, altura de capa (resolución) — la cual influye directamente en la calidad superficial —, necesidad, tipo y cantidad de soporte — por ejemplo, SLA necesita soportes en la mayoría de los casos, mientras SLS nunca necesita de ellos —, contracción y deformación del material, precisión y tolerancias.

Mediante estas guías pueden diseñarse piezas con técnicas avanzadas como:

• One-shot

• Ensamblajes

• Piezas embebidas — como la colocación de insertos roscados —.

Optimización Topológica

Brackets optimizados topológicamente - Diseño orgánico

Consiste en eliminar material innecesario de una pieza — permitiendo reducir peso, coste y tiempo de fabricación —, manteniendo la funcionalidad y comportamiento mecánico. La Optimización Topológica se basa en modelos algorítmicos que distribuyen el material de forma óptima según las cargas, las restricciones y los parámetros del diseño. Los resultados suelen ser piezas con formas orgánicas y detalladas, que solo se pueden fabricar mediante impresión 3D.

Cabe mencionar que el tipo de piezas obtenidas con esta metodología de diseño llevan un proceso de rediseño, el cual puede resultar en una geometría orgánica o una geometría tradicional. La diferencia entre ambos resultados es la facilidad de modificar la pieza a posteriori (de llegar a ser necesario). La geometría orgánica dará un mayor grado de libertad geométrica, pero será complicada de modificar a futuro; mientras, una geometría tradicional obtenida a partir de la optimización tendrá menor libertad geométrica, pero podrá ajustarse de forma paramétrica. Esto dependerá de la expertis del diseñador y el uso final de la pieza.

Estructuras Lattice

Estructura Lattice (reticular) tridimensional fabricada en PBF

Las estructuras Lattice, también conocidas como estructuras Reticulares, son redes tridimensionales formadas por la repetición de una celda unitaria con una configuración de barras, nodos o superficies; por ejemplo, tenemos la estructura Lattice hexagonal o tipo panal de abejas, la cual particularmente tiene una alta resistencia estructural utilizando el área mínima posible. Estos elementos de diseño permiten crear piezas ligeras, resistentes y porosas, con propiedades mecánicas, térmicas y acústicas ajustables. Estas se pueden clasificar según el tipo de celda unitaria:

• Regular

• Irregular

• Estocástica o Voronoi.

• TPMS — Superficies Mínimas Triplemente Periódicas —.

Las estructuras Lattice son ideales para aplicaciones que buscan aumentar la resistencia estructural, absorción de impactos, aislamiento térmico, mejorar la transferencia de calor entre fluidos o permitir la integración de tejidos biológicos.

Ventajas

El DfAM es un concepto que tiene muchas ventajas para la Fabricación Aditiva, ya que permite:

• Adaptar el diseño a las características específicas de la tecnología de Impresión 3D que se utilice, garantizando calidad y viabilidad de las piezas a imprimir.

• Aprovechar al máximo la libertad de geométrica que ofrece la Impresión 3D, creando piezas complejas, personalizadas y funcionales que no serían posibles con otros métodos de fabricación.

• Mejorar el rendimiento y la eficiencia — aumentando resistencia y durabilidad y funcionalidad — de los productos, mientras se reduce peso, coste e impacto medioambiental.

• Innovar y experimentar con nuevas formas, materiales y aplicaciones, abriendo nuevas posibilidades para el desarrollo productos innovadores.

• Combinar técnicas. Cabe la posibilidad de utilizar distintas técnicas de diseño disponibles en una única pieza — lattice + optimización + consolidación + … —-. La imaginación del diseñador es el límite.

Conclusión

El DfAM es un concepto clave para la Impresión 3D, que requiere un cambio de perspectiva y un aprendizaje continuo por parte de los diseñadores e ingenieros que quieran sacar el máximo partido a esta tecnología. El DfAM no es una técnica única, si no que abarca diferentes estrategias que se pueden aplicar según el objetivo y el uso de la pieza final.