Análisis DFM para estereolitografía

El costo excesivo de materiales específicos de configuración y la falta de soporte para resinas de terceros es un desafío importante con el proceso SLA:. ^{[ 1 ]} La elección del material (un proceso de diseño) está restringida por la resina compatible. Por lo tanto, las propiedades mecánicas también son fijas. Cuando se escalan las dimensiones selectivamente para abordar las tensiones esperadas, el postcurado se realiza mediante un tratamiento adicional con luz UV y calor. ^{[ 2 ]} Si bien es ventajoso para las propiedades mecánicas, la polimerización adicional y el entrecruzamiento pueden resultar en contracción, deformación y tensiones térmicas residuales. ^{[ 3 ]} Por lo tanto, la pieza debe diseñarse en su etapa 'verde' es decir, etapa de pretratamiento.

El proceso SLA es un proceso de fabricación aditiva . Por lo tanto, se deben considerar aspectos de diseño como la orientación, la latitud del proceso, las estructuras de soporte, etc. ^{[ 4 ]} La orientación afecta las estructuras de soporte, el tiempo de fabricación, la calidad de la pieza y el costo de la pieza. ^{[ 5 ]} Las estructuras complejas pueden fallar en su fabricación debido a una orientación no factible, lo que resulta en tensiones indeseables. Es entonces cuando se pueden aplicar las directrices DFM. La viabilidad del diseño para la estereolitografía se puede validar mediante análisis ^{[ 6 ]} así como sobre la base de simulación y/o directrices ^{[ 7 ].}

Las restricciones/limitaciones en la fabricación SLA provienen de la precisión de la impresora, el grosor de la capa, la velocidad de curado, la velocidad de impresión, etc. Se deben considerar varias restricciones de la impresora durante el diseño, tales como: ^{[ 8 ]}

• Espesor mínimo de pared (con y sin soporte) : El espesor de pared en las geometrías está limitado por la resolución de la resina. Las paredes con soporte tienen extremos conectados a otras paredes. Por debajo de un límite de espesor, dichas paredes pueden deformarse durante el despegado. Las paredes sin soporte son aún más propensas a desprenderse, por lo que se aplica un límite superior en este caso.
• Voladizo (Longitud máxima sin soporte y ángulo mínimo sin soporte) : Los voladizos son elementos geométricos que no cuentan con soporte inherente en la pieza. Estos deben ser soportados por estructuras. Existe un límite máximo cuando no se proporcionan estructuras. Esto se hace para reducir la flexión bajo el propio peso. Ángulos demasiado pequeños resultan en una mayor longitud sin soporte (proyectada). Por lo tanto, existe un límite mínimo para esta longitud.
• Luz máxima del puente : Para evitar el pandeo de las estructuras tipo viga que se apoyan únicamente en los extremos, se debe limitar la luz máxima de dichas estructuras. Cuando esto no sea posible, se debe aumentar el ancho para compensar.
• Diámetro mínimo del pilar vertical : Esto es para asegurar que la esbeltez esté por encima de un límite a partir del cual la estructura se vuelve ondulada.
• Dimensiones mínimas de ranuras y detalles en relieve : Las ranuras son marcas impresas y los relieves son pequeñas elevaciones en la superficie de la pieza. Las marcas impresas con dimensiones inferiores a los límites no son reconocibles.
• Espacio libre mínimo entre geometrías : Esto es para asegurar que las piezas no se fusionen.
• Diámetro mínimo del orificio y radio de curvatura : Las curvaturas pequeñas que no se pueden reproducir con las dimensiones de impresión pueden cerrarse o suavizarse/fusionarse.
• Volúmenes internos mínimos (diámetros nominales) : Los volúmenes demasiado pequeños pueden llenarse.

Un punto necesita apoyo si: ^{[ 9 ]}

• Es el punto final de los bordes sin soporte.
• Si la longitud del voladizo es mayor que un valor crítico
• Se encuentra en el centro geométrico del plano sin soporte.

Durante la impresión, las estructuras de soporte forman parte del diseño; por lo tanto, sus limitaciones y ventajas se tienen en cuenta al diseñar. Las principales consideraciones incluyen:

• Soporte para geometrías de ángulo poco profundo : Los ángulos poco profundos pueden provocar un curado inadecuado de la resina (problemas de resistencia estructural) a menos que se proporcionen soportes de manera uniforme. Generalmente, más allá de cierto ángulo (normalmente alrededor de 45 grados), la superficie no requiere soporte.
• Base en voladizo : Aumentar el grosor de la sección en la base para evitar desgarros. Evitar transiciones bruscas en la base en voladizo.
• Retorno de burbujas de aire : Sin soportes, la impresión de piezas con una superficie plana y agujeros en la geometría puede generar burbujas de aire. A medida que la pieza se imprime, estas burbujas de aire pueden causar huecos en el modelo. En este caso, las estructuras de soporte crean vías a través de las cuales las burbujas de aire pueden escapar. ^{[ 10 ]}
• Compatibilidad estructural : Considere la compatibilidad de los soportes para la superficie del volumen interno.
• Orientación de las características : Oriéntelas de manera que los voladizos estén bien sujetos.

La orientación de la pieza es una decisión crucial en el análisis DFM para el proceso SLA. El tiempo de fabricación, la calidad de la superficie, el volumen/número de estructuras de soporte, etc., dependen de ella. En muchos casos, también es posible solucionar los problemas de fabricabilidad simplemente reorientando la pieza. Por ejemplo, una geometría en voladizo con un ángulo poco pronunciado puede orientarse para garantizar ángulos pronunciados. Por lo tanto, las principales consideraciones incluyen:

• Mejora del acabado superficial : Orientar la pieza de manera que se elimine una característica en la superficie crítica. Desde un punto de vista algorítmico, una superficie de forma libre se descompone en una combinación de varias superficies planas y se calcula/asigna un peso a cada una. La suma total de los pesos se minimiza para obtener el mejor acabado superficial general. ^{[ 9 ]}
• Reducción del tiempo de construcción : La estimación aproximada del tiempo de construcción se realiza mediante el seccionamiento. El tiempo de construcción es proporcional a la suma de las áreas superficiales de cada segmento (puede aproximarse a la altura de la pieza).
• Optimización de la estructura de soporte : El área soportada varía según la orientación. En algunas orientaciones, es posible reducir el área de soporte.
• Fácil desprendimiento : La reorientación, de forma que el área proyectada de las capas varíe gradualmente, facilita el desprendimiento de la capa curada durante la impresión. Esta orientación también ayuda a retirar las estructuras de soporte en etapas posteriores.

La modificación de algunas características geométricas no críticas de una pieza para reducir el costo y el tiempo de fabricación, y para producir prototipos funcionales que imiten el comportamiento de las piezas de producción. ^{[ 11 ]}

El diseño geométrico optimizado resuelve la discrepancia entre las propiedades del material y las diferencias de proceso descritas anteriormente. Se abordan tanto los problemas de funcionalidad como los de fabricabilidad. Los problemas de funcionalidad se abordan mediante la optimización de las dimensiones de la pieza para compensar las anomalías en el comportamiento de tensión y deflexión. ^{[ 11 ]} Los problemas de fabricabilidad se abordan mediante la identificación de atributos geométricos difíciles de fabricar (un enfoque utilizado en la mayoría de los manuales de DFM) o mediante simulaciones de procesos de fabricación. Para las piezas producidas por RP (como en SLA), las formulaciones del problema se denominan diseño geométrico de material-proceso (MPGT)/RP. En primer lugar, el diseñador especifica información como: modelo CAD paramétrico de la pieza; restricciones y objetivos en las características funcionales, geométricas, de coste y de tiempo; modelos de análisis para estas restricciones y objetivos; valores objetivo de los objetivos; y preferencias para los objetivos. A continuación, se formula el problema de DFM cuando el diseñador completa la plantilla MPGT con esta información y la envía al fabricante, quien completa la información restante "relevante para la fabricación". Con la formulación completa, el fabricante ahora puede resolver el problema DFM, realizando GT del diseño de la pieza. Por lo tanto, el MPGT sirve como interfaz digital entre el diseñador y el fabricante. Se han desarrollado varias estrategias de planificación de procesos (PP) para la adaptación geométrica en el proceso SLA. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

Las restricciones impuestas por el proceso de fabricación se plasman en el diseño. Esto facilita la identificación de problemas de DFM al explorar los planes de proceso, actuando como un método de recuperación. En la literatura se han desarrollado diversos marcos de DFM. Estos marcos ayudan en diversas etapas de la toma de decisiones, tales como:

• Adecuación producto-proceso: Considerar los aspectos de fabricación durante la etapa de diseño permite determinar si el proceso SLA es la opción adecuada. El prototipado rápido puede realizarse de diversas maneras. Las principales preocupaciones son el costo del proceso y la disponibilidad. Mediante este marco DFM, el diseñador puede realizar los cambios de diseño necesarios para facilitar la fabricación del componente en el proceso SLA. ^{[ 14 ]} Este marco garantiza, por lo tanto, que el producto sea adecuado para el plan de fabricación.
• Reconocimiento de características : Esto se realiza mediante tareas integradas de planificación de procesos en software CAD/CAM comercial. Esto puede incluir simulaciones del proceso de fabricación para hacerse una idea de las posibles dificultades en un entorno de fabricación virtual. Dichas herramientas integradas se encuentran en fase de desarrollo.
• Consideraciones de funcionalidad: En algunos casos, los ensamblajes se imprimen directamente en lugar de imprimir las piezas por separado y ensamblarlas. En tales casos, fenómenos como el flujo de la resina pueden afectar drásticamente la funcionalidad, lo cual no se puede abordar únicamente mediante un análisis basado en reglas. De hecho, el análisis basado en reglas solo sirve para garantizar los límites del diseño, pero las dimensiones de la pieza final deben verificarse para su fabricación mediante consideraciones basadas en planes. Se ha llevado a cabo una considerable investigación al respecto durante la última década. ^{[ 15 ] [ 16 ]} Se están desarrollando marcos DFM y se están implementando en paquetes. ^{[ 17 ]}