La tecnología de impresión 3D avanza a pasos agigantados. Un momento hablamos de fabricar pequeños juguetes para entretener a los niños, y al siguiente nos enteramos de que una impresora 3D ha construido un edificio de hormigón capaz de resistir un terremoto de magnitud 8. Con el tiempo, también parece posible "imprimir una impresora 3D".

Pero dejando de lado las perspectivas, lo que más interesa a los aficionados y creadores son las impresoras 3D de escritorio: qué tipos existen, a qué velocidad imprimen y cuánto cuestan. Si te gusta profundizar en los detalles o alguna vez has intentado construir una impresora 3D por tu cuenta, seguramente te habrás preguntado: ¿cómo se mueven?

Actualmente, las impresoras 3D de escritorio más populares son las de tipo XYZ, I3 y CoreXY. Su funcionamiento es el siguiente: la máquina cuenta con uno o varios ejes en las direcciones X, Y y Z del sistema de coordenadas 3D. Un motor impulsa un extremo de cada eje. Correas síncronas o husillos transforman la rotación del motor en movimiento lineal a lo largo de las direcciones X, Y y Z. Finalmente, mediante sistemas de guías lineales en las tres direcciones, la máquina puede posicionar la boquilla en cualquier punto del espacio 3D definido por los ejes, extruir el filamento y crear un objeto 3D.

¿Por qué son importantes los sistemas de guiado?

Los sistemas de guía cumplen principalmente tres funciones durante la impresión:

1. Precisión: Lograr tolerancias estrictas, evitar oscilaciones y asegurar que el cabezal de impresión o la base calefactable instalada en las guías se mueva linealmente a lo largo de la dirección predeterminada;
2. Suavidad: Reduce la fricción con los cojinetes o rodillos y contribuye a un movimiento más suave;
3. Fiabilidad: Las estructuras de guía con una rigidez excelente pueden mejorar la fiabilidad de la máquina y contribuir a obtener impresiones más uniformes a lo largo del tiempo.

La variedad de sistemas de guía

En general, los sistemas de guía utilizados en las impresoras 3D incluyen:

1. Ruedas y perfiles
2. Varillas y cojinetes lineales
3. Rieles lineales
4. Rieles lineales empotrados

Ruedas y perfiles

Entre todos los sistemas de guía, la combinación de ruedas y perfiles es probablemente la más común y rentable. Generalmente, hay de 3 a 4 rodillos que se desplazan a lo largo de la ranura en forma de V o T del perfil para guiar los movimientos.

El anillo exterior de las ruedas suele estar hecho de POM (poliformaldehído), mientras que el anillo interior es de acero y rodamientos de bolas. El POM ofrece alta resistencia, baja deformación y excelente resistencia a la abrasión, lo que lo hace especialmente adecuado para la fabricación de ruedas de impresoras. Con un uso apropiado, los rodillos de POM pueden durar cientos de horas. Algunos fabricantes también utilizan PC (policarbonato) para fabricar ruedas, que ofrecen aún mayor resistencia y durabilidad, aunque a un precio ligeramente superior.

Para garantizar un movimiento lineal, las ruedas deben sujetar correctamente los perfiles. Si están demasiado flojas, pueden producirse vibraciones a altas velocidades. Si están demasiado apretadas, aumentará el desgaste: la acumulación de residuos entre las ruedas y los rieles puede provocar un movimiento irregular o tembloroso. Por lo tanto, los usuarios deben ajustar la tensión de las ruedas según el funcionamiento de la impresora, limpiar los residuos y reemplazar las ruedas cuando sea necesario. En comparación con otras guías, la combinación de ruedas y perfiles requiere un mantenimiento más frecuente.

Además, los plásticos tienen menor rigidez que los metales. La deformación de las ruedas durante el movimiento es difícil de evitar, por lo que las impresoras que utilizan ruedas generalmente tienen menor precisión en comparación con las que utilizan guías de acero.

Los perfiles que se utilizan habitualmente en las impresoras 3D están disponibles en dos tipos: perfiles con ranura en V y perfiles con ranura en T. Como su nombre indica, la principal diferencia entre ellos reside en la forma de su sección transversal. Los distintos perfiles se combinan con diferentes ruedas para lograr un buen guiado.

Dado que los perfiles son personalizables, económicos y ofrecen un rendimiento suficiente, la combinación de ruedas y perfiles es la mejor opción para muchos proyectos de impresoras 3D caseras.

Ventajas

• Buen rendimiento de guiado, económico y útil;
• Amplia variedad de opciones, ampliamente disponibles;
• Fácil de instalar, usar y modificar;

Desventajas

• Menor precisión;
• Más propenso a las vibraciones;
• Requiere un mantenimiento más frecuente.

Barras y cojinetes lineales

Las limitaciones de las guías de rueda y perfil han llevado a aficionados y fabricantes a centrar su atención en una combinación superior en cuanto a precisión y estabilidad: las guías lineales con rodamientos. En los últimos años, las guías de varilla y rodamiento se han convertido prácticamente en sinónimo de sistemas de guiado para impresoras 3D. Se necesitan al menos dos varillas y dos rodamientos por cada eje de la impresora. Los rodamientos se enrollan o se adhieren a las varillas, conectándose a los carros con extrusor o base calefactable para guiar el movimiento lineal.

Una varilla lineal, también conocida como varilla lisa, es simplemente una varilla cilíndrica de acero, disponible en varios tamaños; las impresoras 3D suelen utilizar varillas de 8 mm de diámetro. Estas varillas se pueden mecanizar con alta precisión dimensional y superficies muy lisas. Combinadas con rodamientos de bolas, las varillas correctamente ensambladas permiten lograr movimientos lineales bastante precisos.

Y sí, también existen inconvenientes al ser lisos. Cuando se utilizan como guía, las varillas deben fijarse en ambos extremos con abrazaderas metálicas. Además, los rodamientos no solo pueden moverse linealmente, sino que también pueden girar 360° alrededor de los cilindros. Por eso, deben conectarse a rodamientos en otra varilla paralela para permitir que el extrusor o la base calefactable se muevan linealmente. Lograr el paralelismo entre dos varillas puede ser un desafío, especialmente para quienes realizan trabajos de bricolaje.

Por lo tanto, el uso de guías de eje implica, por un lado, mayor precisión y estabilidad, pero, por otro, mayor tamaño y peso, además de una mayor dificultad de montaje.

Los cojinetes utilizados con las bielas son principalmente cojinetes de ranura en U y cojinetes lineales fabricados íntegramente en acero. Los cojinetes de ranura en U se asemejan a ruedas que ruedan a lo largo de las bielas. Los cojinetes lineales tienen un manguito cilíndrico en el exterior, con varias filas de bolas en el interior que se desplazan a lo largo del eje. Ambos tipos permiten una guía suave con una fricción mínima.

Las bielas y los cojinetes son de larga duración y solo requieren una limpieza ocasional para eliminar la acumulación de residuos en las bielas y lubricar los cojinetes. Si las bielas están alojadas en una carcasa en lugar de formar parte del bastidor, desmontar la carcasa y lubricar los cojinetes es sencillo. Sin embargo, reemplazar los cojinetes desgastados tras un uso prolongado puede resultar algo complicado.

Ventajas

• Excelente rendimiento de guiado, alta precisión, coste moderado;
• Amplia variedad de opciones, ampliamente disponibles;
• Baja frecuencia de mantenimiento;

Desventajas

• Ocupa más espacio y pesa más cuando está cerrado;
• El paralelismo puede ser un problema;
• Cambiar los rodamientos puede ser complicado.

Rieles lineales

Las guías lineales, también conocidas como rieles lineales, se han popularizado en los últimos años. El riel de acero cuenta con una pista a cada lado, y los deslizadores alojados en ella contienen dos juegos de rodamientos de bolas que permiten su desplazamiento a lo largo de las pistas. Además de las impresoras 3D industriales, cada vez más fabricantes de ordenadores de sobremesa utilizan guías lineales en sus líneas de productos de alta gama.

Aunque ambos están fabricados en acero, en la práctica, los rieles lineales son menos propensos a la flexión y la vibración que las barras. Esto se debe principalmente a su método de montaje único. Las barras solo se fijan en ambos extremos, mientras que los rieles lineales cuentan con orificios de montaje a intervalos regulares en su superficie, lo que permite asegurarlos firmemente a la carcasa u otras estructuras de soporte.

Esto garantiza un movimiento lineal estable y mejora la calidad de impresión, a la vez que aumenta el límite de velocidad al evitar vibraciones excesivas a altas velocidades. Esta es una de las razones por las que la J1 puede lograr una impresión de alta velocidad.

Durante el montaje, los rieles lineales pueden guiar un solo eje sin necesidad de emparejamiento, lo que ahorra espacio y peso y hace que la máquina sea más ligera y compacta. Además, no hay que preocuparse por el paralelismo de los rieles.

Suena muy bien, pero ¿cuál es el inconveniente? El precio. Según cálculos aproximados, si bien los deslizadores para guías lineales tienen precios similares a los de los rodamientos para varillas, las guías en sí cuestan entre 2,5 y 4 veces más que un par de varillas de longitud equivalente. En comparación, las varillas son económicas y de buena calidad. Sin embargo, sopesando el coste adicional frente a las ventajas en rendimiento, la mayoría de los aficionados al bricolaje seguirían optando por varillas y rodamientos.

En cuanto al mantenimiento, los rieles lineales son similares a los anteriores, requiriendo lubricación regular de los cojinetes. Los rieles expuestos también necesitan limpieza ocasional.

Ventajas

• Muy alta precisión;
• Admite impresión de alta velocidad;
• Ocupa poco espacio y es cómodo de usar;

Desventajas

• No pueden servir como estructuras de soporte, deben instalarse en perfiles, etc.;
• Caro.

Rieles lineales integrados

En lugar de utilizar directamente las guías mencionadas anteriormente, algunos fabricantes, con el fin de mejorar sus capacidades técnicas o para adaptarse a productos específicos, también están explorando mejores soluciones.

Las principales ventajas de los rieles lineales residen en la alta rigidez de los rieles de acero y en el movimiento preciso y suave que proporcionan los rodamientos de bolas. Estas ventajas se conservan en los rieles lineales empotrados.

Para la fabricación de los módulos lineales, FUYU incrusta dos tiras de acero en las paredes internas de la carcasa de aleación de aluminio y, a continuación, mecaniza el acero con precisión mediante CNC, transformándolo en rieles con una exactitud micrométrica. Además, gracias a los rieles incrustados más anchos, se mejora la rigidez sin aumentar el peso, lo que resulta más adecuado para operaciones CNC de alta potencia; al fin y al cabo, las impresoras 3D convencionales no requieren una rigidez tan extrema.

En comparación con el montaje directo de los rieles lineales sobre la superficie de las extrusiones, la integración de los rieles de acero dentro de los módulos lineales evita la acumulación de polvo, reduciendo la frecuencia de mantenimiento. Además, hace que los módulos sean más ligeros y compactos, evitando que una máquina costosa parezca un proyecto de bricolaje. Sin embargo, la integración de los rieles lineales plantea importantes desafíos de fabricación para el productor, sin ofrecer ninguna ventaja en cuanto a costos respecto a los rieles lineales convencionales.

Ventajas

• Igual que los rieles lineales: muy alta precisión, admite impresión de alta velocidad, ocupa poco espacio;
• Se ha mejorado aún más la rigidez de los raíles;
• Menor frecuencia de mantenimiento con rieles cerrados;

Desventajas

• Caro;
• No apto para proyectos de bricolaje.