Diseño 3D

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Aunque para usar impresoras 3D y escáneres 3D no es necesario saber diseñar, se nos abren muchas más puertas si sabemos manejar algún software de modelado. A continuación te hablamos de tipos de software para diseño y te contamos unos truquillos para diseñar nuestras piezas acorde a la forma de fabricarlas con impresión 3D.

 

Softwares de diseño 3D

A la hora de crear nuestro diseño tridimensional podemos encontrar una amplia gama de programas de diseño 3D de las cuales tendremos que elegir el que más nos convenga para realizar el diseño que queramos. La mayoría de programas de diseño 3D se clasifican en dos grupos generales que son;Programas de CAD/CAM y Programas de Modelado 3D o Animación. Existen varios software que se puede situar entre los dos grupos, a estos les llamaremos Programas de Diseño 3D Híbridos

 

Programas de CAD/CAM

Software cad.jpg
El término CAD significa Computer Aided Design o Diseño Asistido por Ordenador. Este tipo de programas son instrumentos técnicos con funciones en el diseño industrial, diseño mecánico, arquitectura, industria aeroespacial, ingeniería y prototipado rápido. Este tipo de programas son para crear diseños técnicos precisos que tendrán que funcionar en el mundo real de la misma manera que funcionan en su entorno virtual, respetando por completo todo tipo de medidas y tolerancias. Estos modelos tienen que ser lo suficientemente precisos para ser enviados a producción, en la construcción o incluso en simulaciones físicas y virtuales.

Otra característica importante de los programas CAD es que sobre todo utilizan sólidos para la creación del modelo 3D a diferencia de los programas de animación que utilizan mallas o superficies. El modelado con sólidos consiste en definir un objeto con masa geométrica mediante la creación de una base sólida y en la que podremos sumar y restar masa mediante diferentes operaciones. Aunque también hay que decir que la mayoría de estos softwares incorporan el modelado de superficies para hacer cosas más complicadas.

Si utilizamos algún programa de CAD para realizar un modelo que queramos imprimir, deberemos guardar o exportar el modelo del programa como un archivo .STL y seguir el proceso de impresión 3D. En principio los modelos diseñados en estos softwares no suelen dar problemas a la hora de preparar y realizar las impresiones.

Algunos de los programas más importantes de CAD son estos:

  • AutoCAD
  • SolidEdge
  • SolidWorks
  • Catia
  • FreeCAD
  • OpenSCAD



Programas de modelado 3D o de animación 

Blender.jpg
Los programas de modelado 3D y animación están diseñados para ser un lienzo en blanco donde se puede construir un mundo desde cero y luego animarlo.. Para conseguir ese objetivo estos softwares tienen conjuntos de herramientas enteros dedicados a la vertiente más artística de modelado y animación, herramientas dedicadas a la creación de animaciones basadas en la línea de tiempo involucrando varios objetos que interactúan con su entorno.

Este tipo de programas utilizan mallas o superficies de alta calidad con detalladas texturas y mapas de relieve con elementos tan finamente sintonizadas como mechones de cabello y piel, sistemas de huesos, simulación de telas, sistemas de partículas animadas, simulación de líquidos, simuladores de lluvia, etc. El objetivo principal es hacer que visualmente las creaciones sean lo más atractivas posibles.

Como hemos dicho, en estos softwares se trabaja mediante el modelado de superficies o mallas. El modelado de superficies está definiendo el exterior de un objeto con una piel infinitesimalmente delgada. Esta piel es creada por barridos y curvas Nurbs. Son superficies esculpidas con gran cantidad de curvatura y se considerarán un sólido sólo cuando estén completamente cerradas.

Estos son algunos de los programas de modelado que podemos encontrar:

  • Blender
  • 3D Studio Max
  • Maya
  • Zbrush


Opciones de diseño de mallas y solidos en los softwares

Pipo chair render.jpg
La mayoría de los programas de modelado de solidos (CAD) incorporan modelado de superficies, aunque no sea comparable con las posibilidades que dan los programas de animación. Un sólido se crea mediante la creación de una superficie y luego se llena. También hay programas de diseño 3D que no son de animación pero que utilizan el sistema de modelado de superficies como Rhinoceros 3D y Alias Studio. Estos programas se utilizan para hacer superficies técnicas, como por ejemplo un ala de avión, o superficies estéticas como por ejemplo el capó de un coche.

Pero la verdad es que el modelado de superficies en los paquetes de modelado de sólidos es bastante temperamental, crea geometrías que están sujetos al fracaso y colapsan fácilmente. Por ello lo que podemos hacer es crear una superficie compleja en un modelador de superficies y a continuación importarlo a un modelador de sólidos para acoplarlo al sólido que hemos creado. Este es el flujo de trabajo en el diseño de automóviles.

Conclusión

Al final, uno puede pensar que a grandes rasgos casi no hay diferencia entre los programas de CAD o los de modelado 3D o animación, pero conociendo los diferentes programas y observando su funcionamiento veremos que la diferencia está en el modo de trabajar, en las diferentes herramientas que poseen y en las posibilidades que da cada uno. Se puede hacer una similitud con un Ferrari y un Honda, los dos son coches pero uno está diseñado para correr y el otro para el transporte fiable. Es el mismo tipo de diferencia entre los programas de CAD y los softwares de animación 3D, el propósito para el que han sido diseñados.

Por ello, como hemos dicho al principio de esta sección es muy importante que elijamos el que más nos convenga para realizar el tipo de diseño que queramos. Elegir el software adecuado nos facilitará mucho el trabajo y nos ayudará a conseguir el resultado deseado, ahorrando mucho tiempo y esfuerzo y consiguiendo una mejor calidad.


Consejos de diseño para impresión 3D

 

Espesor de las paredes

Si nuestro modelo contiene paredes delgadas es una buena idea que sean múltiplos del ancho de boquilla de la Tumaker Voladora, generalmente 0.4mm. Si hacemos las paredes más delgadas que 0.4mm es posible que cura los elimine del modelo por completo si piensa que no puede imprimirlos correctamente. Cura hace un par de trucos para poder imprimir paredes más finas y más gruesas que 0.4mm, pero si es posible, es mejor que en el diseño su anchura sea múltiplo de 0,4 mm para que la impresión sea exacta y totalmente fiel a las dimensiones de nuestro diseño.

La regla de los 45 grados

Al diseñar un modelo con posibles voladizos, debemos tratar de mantener el ángulo de estos hasta un máximo de 45 grados respecto a la vertical. La impresora es capaz de imprimir ángulos mas cerrados que estos, pero si lo que buscamos es calidad en la superficie, tenemos que limitar el ángulo. Cuanto más cerrado sea el ángulo del voladizo respecto a la horizontal, peor será la calidad.

45grados.jpg

 

En la imagen superior se muestra cómo se puede diseñar un modelo para que sea lo más fácil posible de imprimir. La primera imagen muestra que la parte superior del modelo tiene un voladizo que obviamente debe ser apoyado sobre algo si queremos tener alguna posibilidad de que sea impreso correctamente. Por supuesto, podríamos imprimir este voladizo utilizando soportes, pero también existen otras opciones que tienen que ver con el diseño para evitar el uso de soportes. 

El centro de la imagen muestra cómo hemos cambiado el ángulo de proyección a 45 grados para hacer que el voladizo sea fácil de imprimir y evitar los soportes. Ahora bien, por supuesto, cambiar el diseño no siempre será posible. Tendremos que ver si es posible adecuar el diseño sin que el modelo a imprimir pierda la función para la que ha sido diseñada.

En la tercera variación hemos partido el modelo en dos y hemos añadido un pasador de posicionamiento y un agujero para que la parte superior pueda ser pegada a la inferior después de la impresión. Esto significa que podemos mantener nuestros voladizos con los ángulos rectos si tenemos la posibilidad de partir el modelo y utilizar esta técnica.

Este, por supuesto, es un ejemplo muy simple pero muestra el modo de pensar que debemos utilizar a la hora de diseñar un modelo para que en la impresión 3D tengamos el mejor resultado posible.

 

Diseño personalizado de los soportes

Siempre que queramos imprimir áreas de un objeto suspendidos en el aire necesitaremos algún tipo de apoyo o soporte. Lo bueno de los soportes es que nos permiten imprimir diseños complejos que normalmente serían imposibles para una impresora de deposición. Lo malo es que nos van a dejar marcas en la superficie.

Los apoyos pueden ser creados por nosotros mismos a la hora de diseñar el modelo o pueden ser generados automáticamente por algún software de impresión 3D. Los soportes suelen cumplir bien su función en la mayoría de los casos pero, a veces, puede ser difícil eliminarlos y por lo general dejarán marcas antiestéticas en nuestra impresión. Otra alternativa es utilizar un programa independiente como Meshmixer el cual ayuda en la generación de soportes para los modelos. Mientras Cura genera un bloque con las estructuras de apoyo debajo del voladizo, Meshmixer trata de utilizar la menor cantidad posible de material mediante la creación de pilares de apoyo. Podéis echar un vistazo a este blog donde encontrareis instrucciones de uso de este programa.

La mejor alternativa podría ser la de crear nosotros mismos los soportes y apoyos al diseñar nuestro modelo. Podemos ser un poco más selectivos con el modo de construir los posibles soportes. De esa manera podemos ahorrar tiempo y material de impresión.

 

Soporte erroneo.jpg

 

Esta imagen muestra el soporte que genera Cura automáticamente para este modelo. Cabe señalar que este soporte ha sido creado con la configuración predeterminada de Cura. Podemos ajustar la configuración para mejorar este resultado. Probablemente habría que aumentar la densidad del soporte en este caso. Puede ajustar la configuración de los soportes en Cura en el modo experto. Pero como ejemplo aquí se puede ver que el voladizo tiene bastante poco apoyo, e irónicamente el propio soporte probablemente podría necesitar un poco de apoyo.

En la foto de arriba se pueden ver en rojo los soportes diseñados junto con el diseño del modelo tridimensional. Con estos soportes específicos las paredes perimetrales se apoyan muy bien y para hacer el voladizo nos estamos aprovechando de la capacidad de la impresora para depositar filamento de apoyo a apoyo en distancias cortas. La impresora empezará imprimiendo primero el perímetro, el cual está totalmente apoyado en los soportes personalizados. Estas líneas perimetrales formarán entonces una base para que el plástico se extienda a través de la brecha restante. En contraste con el apoyo autogenerado el perímetro exterior nos está dando únicamente cuatro pequeños puntos de apoyo para realizar el voladizo.

Al crear los soportes es importante que dejemos un pequeño espacio de aire entre el soporte y el modelo en el eje Z, de modo que el apoyo no se fusione con el resto de la pieza. Recomendamos que este espacio sea igual que la altura de capa que estemos usando en la impresión. Para regular estos parámetros debemos entrar en Open expert settings y en Support cambiar el valor de Distance Z.

 

 

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Crear un puente en lugar de un voladizo empinado

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Como hemos mencionado en la sección anterior, los soportes pueden dejar cicatrices en la superficie de nuestra impresión. También suponen un gasto de material y tiempo por lo que si podemos evitarlas será mejor.

Mientras que la impresora no puede imprimir las cosas que se encuentran suspendidas en el aire si que puede realizar puentes sin soporte entre dos partes impresas. Lo llamamos puente porque los hilos de plástico están esencialmente suspendidas entre dos bases impresas, como los cables de un puente colgante. Los puentes pueden ser muy útiles para imprimir modelos de casas con las ventanas abiertas, por poner un ejemplo. Un puente corto a través de la ventana abierta puede ayudar a cerrar fácilmente reduciendo y ahorrando tiempo y plástico.

Un puente tampoco nos va a solucionar todos los problemas. No se pueden salvar grandes distancias y esperar que la superficie inferior del puente quede perfecta. Habrá una caída o flacidez de las hebras de plástico. Con un puente más corto sin embargo, no tendríamos este problema. Para reducir la flacidez de la parte inferior de los puentes lo mejor es reducir la velocidad de impresión y asegurarse de que el ventilador de pieza enfría los hilos rápidamente para que se vuelven rígidas lo más rápido posible y no se comben.

Esta imagen muestra un caso típico en el que un puente horizontal es una solución mejor que un puente inclinado. Aunque a primera vista no opináramos de esta manera un voladizo muy inclinado no realizará un puente de un lado a otro. Probablemente producirá una calidad de superficie bastante mala en la parte inferior del voladizo, en cambio, hacer un puente en línea recta, si este no es muy largo, dará mejor resultado.

 

 

 

 

 

 

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Taludes y peldaños de escalera

Como la impresora crea los objeto mediante capas apiladas una encima de la otra en el eje Z, la impresión mostrará "pasos o peldaños" en lugar de una curva suave y continua. En una superficie vertical apenas notaremos este efecto pero a medida que el ángulo aumenta, el efecto se hace más y más pronunciado. Podemos mitigar el efecto con la disminución de la altura de la capa.

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Como se puede ver, las capas más finas son capaces de representar mucho mejor la verdadera forma curvada. Observamos también cómo se ve mucho peor la parte superior del objeto en comparación con las capas inferiores. A medida que el ángulo aumenta los anillos se hacen más notables. Además, dependiendo de la configuración de espesor de pared, Cura tendrá que crear relleno sólido para compensar el hecho de que las líneas perimetrales de la siguiente capa no están en contacto con las anteriores.

Por el momento Cura no puede detectar automáticamente y no nos deja elegir las áreas que necesitan capas más delgadas para reproducir los detalles de la mejor manera posible. Así que si necesitamos más resolución tendremos que imprimir todo el objeto a una altura de capa inferior. Esto, por supuesto, aumentará el tiempo de impresión de forma espectacular. La otra alternativa es tratar de diseñar nuestros objetos de tal manera que las pendientes disminuyan lo más lentamente posible.

 

 

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Contracciones del plástico

Desafortunadamente esto forma parte del juego y es algo que tenemos que tener en cuenta si estamos tratando de crear piezas con medidas muy precisas. La cantidad de contracción depende de muchas cosas diferentes, tales como: Tipo de plástico, forma de la pieza, refrigeración, temperatura de la cama, etc. Esto no es algo que se limita a las impresoras de modelado por deposición fundida, también afecta a otros procesos de fabricación relacionados con materiales plásticos. Por ejemplo, en la técnica de la inyección también tienen que compensar la contracción del plástico en ángulos de ajuste fino y los tamaños de los moldes.

Chaflan.png
A modo de ejemplo, los agujeros verticales tienden a salir más pequeños de lo debido, agravandose el problema cuanto más pequeño sea el agujero. Así que si queremos un agujero para encajar un tornillo M3 en la impresión tendremos que hacer el agujero en CAD más grande de lo que debería ser. Por ejemplo, si queremos un ajuste flojo podemos probar a hacer un diámetro de alrededor de 3,4mm. No es una ciencia exacta pero con la experiencia tendremos una idea de cómo compensar las contracciones del material para lograr nuestras metas.

Puede que nos preguntemos por qué los agujeros verticales son particularmente problemáticos. La razón es que cuando estamos imprimiendo un agujero, el plástico se fija en círculo y se comporta casi como una banda de goma que se encoge por no haber plástico en el interior del conjunto.

Además de la contracción también podremos ver que la primera capa está prensada sobre la cama para que se adhiera correctamente, haciendo que los agujeros sean todavía más pequeños. Podemos anular este efecto poniendo un chaflán en la parte inferior de nuestras piezas a imprimir. Dependiendo de la altura de la capa que usemos, un chaflán entre 0,4 mm a 1 mm puede ser apropiado. El chaflán dará al plástico un poco de espacio para expandirse. Es importante que utilicemos un chaflán en lugar de un redondeo. Un redondeo creará un voladizo severo de mal aspecto cuando se imprima. Un chaflán de pared recta de 45 grados será fácil de imprimir para la Voladora.

Si todavía quiere un redondeo en la parte inferior de la impresión, se puede empezar con un chaflán y luego empalmar el borde superior de ese chaflán. Al hacerlo de esta manera se evita la creación de un mal voladizo. La imagen muestra la diferencia. Observe que el voladizo marcado en rojo será difícil de imprimir en comparación con el ángulo de 45 grados del chaflán mas el redondeo.

 

 

Un truco para crear superficies con mejor apariencia

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Este truco es muy útil para piezas con una cima en la que hay agujeros. Cuando la impresora trata de rellenar una superficie en la que hay agujeros no puede rellenar la superficie con continuidad. La impresión de la superficie se ve interrumpida por los agujeros. Llenará un área hasta que se encuentre un agujero, a continuación, pasará a otra área, llenará tanto como puede, se moverá de nuevo y así sucesivamente. Cada vez que se mueve a una nueva área puede crear lo que parece un arañazo en la superficie.

Lo que se puede hacer para solucionar esto es cubrir la parte superior de su impresión completamente, enterrando los agujeros. Se puede usar un grosor doble que el de nuestra altura de capa. Así que si vamos a imprimir con 0,12mm de altura de capa enterraremos los agujeros con una superficie de 0,24mm.

Este es el resultado que se puede esperar. El modelo de la izquierda está impresa normal. La de la derecha está impresa usando este truco con el exceso de plástico cortado para revelar los agujeros.