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¿Por qué los objetos impresos en 3D tienen líneas como las de los anillos de un árbol?

Categoría: Tecnología

Las piezas creadas con una impresora 3D parecen lisas a simple vista, pero al pasar el dedo sobre ellas se sienten líneas finas que se enganchan en la piel. Un comunicado de la Universidad de Waseda explica que estas marcas son «inevitables por los principios de la fabricación» [1]. No son un fallo, sino una huella inherente al método de creación.

Este artículo explora por qué aparecen estas líneas, si se pueden eliminar haciendo las capas más finas y qué técnicas existen para suavizarlas. Así entenderás el origen de las marcas de estratificación y los límites de la suavidad en la impresión 3D.

1. ¿Son las líneas de las piezas impresas en 3D un error o algo inevitable del método?

Cuando pasas el dedo por una pieza impresa en 3D, notas surcos finos y horizontales espaciados regularmente. Se parecen a los anillos de crecimiento de un árbol vistos desde un lado. Esto no se debe a que la impresora funcione mal.

En el método FDM (modelado por deposición fundida), se extruye resina suavizada por calor en hilos finos para formar capas delgadas, una sobre otra. Los bordes de cada capa dejan un escalón visible. Este rastro se llama marca de estratificación. La Universidad de Waseda describe estas marcas como algo que «ocurre inevitablemente por los principios de la fabricación» [1].

Un estudio sobre el método FDM señala que las irregularidades (surcos de capa) generadas al apilar las capas son el mayor desafío para las estructuras creadas con esta técnica [2]. Por lo tanto, las marcas de estratificación no son un «defecto ocasional», sino una realidad con la que hay que lidiar siempre que se use este sistema.

2. ¿Por qué las superficies inclinadas o curvas de una impresión 3D parecen escaleras?

En una pared perfectamente vertical, los escalones son pequeños si solo consideramos los bordes de las capas. Las marcas son más visibles en superficies inclinadas o curvas. La rugosidad real depende también de otros factores además del borde de la capa.

Imagina construir una rampa inclinando placas del mismo grosor desplazándolas ligeramente. Los bordes forman escalones y quedan espacios triangulares entre la superficie real y la ideal. Cuando una impresora 3D fabrica una bola, apila discos finos (capas), por lo que ocurre lo mismo.

En investigaciones sobre la conversión de modelos 3D para impresión, se usa un modelo matemático que relaciona la altura del escalón con el grosor de la capa y la orientación de la superficie. Según este modelo, las superficies casi horizontales tienen errores mayores, mientras que las cercanas a la vertical son menores [5]. Esto explica por qué la parte superior de una bola o las pendientes suaves tienden a ser más rugosas. Sin embargo, esto es un modelo simplificado del fenómeno, no la medida exacta de la rugosidad en máquinas reales.

Entonces, ¿para reducir los escalones solo queda hacer las capas más finas?

3. Capas más finas suavizan la pieza impresa en 3D, pero alargan el tiempo de impresión

El grosor de cada capa (paso de estratificación) se especifica en un software preparatorio llamado «slicer». En el método FDM, es común usar valores entre 0.1 y 0.5 mm, aunque hoy en día existen máquinas que permiten capas más finas de 0.1 mm. Cuanto más fina sea la capa, mejor será el acabado, pero requerirá más tiempo [3].

La razón se entiende calculando el número de capas. Para un objeto de 20 mm de altura, con capas de 0.2 mm se necesitan 100 capas; con capas de 0.1 mm, se necesitan 200. El número de capas se duplica. Aunque el tiempo de impresión aumenta, la forma exacta del incremento depende de la geometría y los ajustes.

La ayuda oficial de una marca de impresoras explica que aumentar el grosor de la capa reduce significativamente el tiempo de fabricación, pero hace que las capas sean más visibles; por el contrario, usar capas finas como 0.10 mm mejora los detalles pero prolonga el tiempo [4].

Además, hay un límite físico para afinar las capas. El diámetro de la boquilla (nozzle) que extruye la resina es uno de los factores que limitan ese grosor. Según esta marca, la altura de la capa debe ser menor al 80% del diámetro de la boquilla; para una boquilla de 0.4 mm, la guía da menos de unos 0.32 mm. Este valor del 80% es una guía de este fabricante específico; otras marcas pueden indicar valores ligeramente distintos, como el 75% [4].

En el método FDM, se debe equilibrar el tiempo y el tamaño de la boquilla para decidir qué tan finas serán las capas. ¿Qué hacer con los escalones que no desaparecen al afinar?

4. Cómo disolver los escalones que quedan en las piezas impresas, según la investigación de la Universidad de Waseda

Existe una forma de eliminar los escalones que quedan después de imprimir capas finas. El profesor asociado Shinjiro Umezu y su equipo en la Universidad de Waseda desarrollaron un método que utiliza un dispositivo con forma de bolígrafo para aplicar pequeñas cantidades de disolvente. Este líquido disuelve las partes sobresalientes de la superficie y alisa las marcas de estratificación [1].

El estudio muestra la rugosidad (medida Rz) antes y después del tratamiento para diferentes grosores de capa. Para probetas de 0.3 mm, la rugosidad bajó de aproximadamente 95 a unos 10 tras 9 aplicaciones del acabado. En capas de 0.2 mm, pasó de unos 65 a unos 10 en 6 aplicaciones. En capas de 0.1 mm, disminuyó de unos 30 a unos 5 en 5 aplicaciones [2].

Al comparar los números, la rugosidad inicial se reduce a casi un tercio (de 95 a 30) solo con afinar las capas de 0.3 mm a 0.1 mm. Además, el número de aplicaciones necesarias baja de 9 a 5. Por lo tanto, en estas pruebas, imprimir con capas finas y luego aplicar el acabado es la combinación más suave.

No obstante, los disolventes son químicos que disuelven materiales específicos, por lo que se debe elegir el adecuado para cada tipo de plástico [2]. Esto proviene de una investigación específica y no garantiza resultados idénticos para todos los materiales o formas.

5. Cómo comprobar con hojas de papel el efecto escalera de las impresiones en 3D

Puedes probar esto con papel. Apila 10 hojas de copiar desplazando ligeramente los bordes para formar una pendiente inclinada. Al pasar el dedo, sentirás que los bordes del papel enganchan como escalones. Luego, usa papel más fino; ajusta la cantidad o el desplazamiento y compara. Los escalones serán más pequeños y la resistencia al tacto menor. Así tendrás una idea concreta de cómo capas más finas reducen los escalones.

Busca objetos cercanos: si hay impresoras 3D en escuelas, bibliotecas o centros comunitarios, pide ver las piezas terminadas y compara con el dedo las superficies inclinadas frente a las verticales.

Para leer más, la noticia de la Universidad de Waseda está disponible en japonés [1].

Fuentes

  1. Noticias de la Universidad de Waseda (Laboratorio Umezu / Acabado químico por disolución 3D) 2017. https://www.waseda.jp/top/news/49411 (Las marcas de estratificación son inevitables por principio y se suavizan con disolventes.)
  2. Takagishi, K. & Umezu, S. Desarrollo del proceso de mejora para estructuras impresas en 3D. Scientific Reports 7:39852 (2017). https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC5215526/ (Los surcos de capa son un problema clave; se muestran datos de rugosidad antes y después del suavizado.)
  3. MONOist Ajustes de impresoras 3D (slicer). https://monoist.itmedia.co.jp/mn/articles/2010/14/news004_2.html (Relación entre el paso de estratificación y el tiempo de impresión.)
  4. Ayuda de Prusa: Capas y perímetros. https://help.prusa3d.com/en/article/layers-and-perimeters_1748 (Guía sobre la altura de capa, tiempo y relación con el diámetro de la boquilla.)
  5. Livesu, M. et al. De modelos 3D a impresiones 3D (arXiv:1705.03811, 2017). https://arxiv.org/abs/1705.03811 (Modelo teórico sobre la orientación de la superficie y la altura del escalón.)
  6. https://monoist.itmedia.co.jp/mn/articles/1310/25/news053.html ()