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Aplicar recocido a impresiones 3D

Hola Machine Bros!
Como bien sabrás no todo finaliza al terminar de imprimir tu pieza en 3D. Hay una extensa variedad de post-procesamientos que pueden ser aplicados en nuestras impresiones 3D, bien sea para darles un mejor acabado estéticos, para ensamblar un conjunto de piezas, para proporcionar características especiales a los objetos impresos, o incluso proveer de mejores propiedades mecánicas y térmicas a nuestras fabricaciones. De esto trata este artículo, de un post-procesamiento el cual no es tan popular dentro de la impresión 3D, pero lleva años aplicándose en metales e inyección plástica. Este post-procesamiento es conocido como recocido, en ingles se le conoce como “Annealing” y te hablaremos de cómo aplicar recocido a impresiones 3D.

Horno de recocido para modelos 3D
Horno de recocido para modelos 3D

¿Qué es el recocido?

El recocido es un tratamiento térmico cuyo propósito es la reorganización de la estructura molecular del material (en nuestro caso un polímero) y/o la eliminación de tensiones internas.

Las tensiones internas en la impresión 3D por FDM se suelen generar debido al estrés térmico que sufren las piezas a raíz de los cambios de temperatura que exponemos al filamento fundido al salir de la boquilla.

El hecho de que haya mayor o menor estrés térmico y tensión interna al imprimir en 3D una pieza está directamente relacionado con los siguientes 3 factores:

  1. CLTE (coeficiente lineal de dilatación térmica): Nos indica que tanto pudiese llegar a variar sus dimensiones un material en proporción a los cambios de temperatura.

  2. Tg (temperatura de transición vítrea): Nos indica a que temperatura un polímero disminuye su densidad, dureza, rigidez y su porcentaje de elongación.

  3. Módulo de Young: Nos da una idea del nivel de elasticidad que posee un material.

A mayores valores de cualquiera de estas 3 características mencionadas con anterioridad, mayores posibilidades habrá de que la pieza padezca de mayor estrés térmico y por lo tanto de mayores tensiones internas.

Tenemos un artículo que explica con más detalle cómo afecta el estrés térmico en la impresión 3D: Tips para prevenir el warping y el cracking.

Con referencia a la reorganización de la estructura molecular del material, por lo general se habla de tres formas o configuraciones en las que se encuentran organizadas las moléculas en un material, estas son:

  1. Estructura cristalina: En esta configuración los átomos, moléculas, o iones, están de manera ordenada y con patrones de repetición que se extienden en las tres dimensiones del material.

  2. Estructura amorfa: En esta configuración los átomos, moléculas, o iones, están en desorden y desalineados aun estando en su estado sólido. No presentan una disposición interna ordenada y por lo tanto no tienen ningún patrón determinado.

  3. Estructura semicristalina: En esta configuración los átomos, moléculas, o iones, están distribuidos de una manera tal que se aprecian dos regiones claramente definidas en su estado sólido. Una de estas regiones es amorfa y la otra es cristalina.
Estructura molecular del material
Amorfa                              Semicristalina                        Cristalina

Los polímeros con los que imprimimos en 3D por lo general son amorfos (ABS por ejemplo), algunos semicristalinos (PLA por ejemplo) y muy pocos cristalinos (ejemplo el polipropileno, el cual no es muy popular para imprimir en 3D).

Cuando decidimos aplicarle recocido a un material es con la finalidad de lograr reducir las tensiones internas (en nuestro caso generadas al imprimir por FDM).

También buscamos reorganizar la estructura molecular de los polímeros semicristalinos (el PLA por ejemplo, un material muy común en la impresión 3D) o cristalinos.

Esto debido a que al fundir el filamento cuando lo hacemos pasar por la extrusora, la estructura molecular se vuelve amorfa y como en las impresoras 3D más accesibles no contamos con cámaras de calefacción, el plástico se enfría muy rápidamente sin dar tiempo a que la estructura molecular se reorganice a su estado semicristalino o cristalino, originando así una pieza impresa con estructura molecular amorfa, cuando en realidad si imprimimos con PLA por ejemplo, la estructura de la pieza debería ser semicristalina.

Por lo mencionado en el párrafo anterior es que los mayores beneficios de aplicarle recocido a una impresión 3D lo solemos ver en el PLA y en el Nylon, ya que ambos son polímeros semicristalinos. Al aplicarles recocido logramos reducir las tensiones internas (el estrés térmico) y reorganizar la estructura molecular del modelo.

Si le aplicamos recocido a los plásticos amorfos (PETG, ABS, entre otros) solo lograremos reducir el estrés térmico, ya que la estructura molecular de estos materiales es amorfa de por sí.

A continuación, te dejaremos 2 tablas, una donde puedas ver la predisposición de los materiales que comúnmente utilizamos a sufrir de estrés térmico, y otra donde categorizamos los materiales de impresión 3D en función a la forma en que se organiza su estructura molecular.

Estrés térmico de filamentos para impresión 3D
Esta tabla es solo orientativa, el orden de los materiales pudiese variar en función a la marca del filamento, tipo de impresora, configuraciones de impresión, clima y temperatura ambiental, entre otras variables.
Estructura molecular de filamentos de impresión 3D

¿Cómo aplicar el recocido a una pieza impresa en 3D?

Para aplicar el recocido a una pieza impresa en 3D se debe calentar de manera gradual y progresiva la pieza impresa en 3D hasta llegar a una temperatura que esté entre la Tg (temperatura de transición vítrea) y la temperatura de fusión del material (esto solo aplica para materiales con estructura cristalina o semicristalina. Los materiales con estructura amorfa no poseen una temperatura de fusión definida, para este tipo de materiales se utiliza como referencia una temperatura donde la deformación ya seria excesiva).

Una vez alcanzada esa temperatura, mantendremos dicha temperatura por un tiempo determinado.

Cuando el tiempo que hayamos predefinido en función al material y el recocido que queríamos aplicar haya finalizado, dejamos enfriar la pieza muy lentamente, todo esto con la finalidad de permitir la reorganización de la estructura molecular del material (en caso de que el material no sea amorfo), y también logramos reducir el estrés térmico causado por imprimir en 3D por FDM sin cámaras de calefacción (sobre estas cámaras de calefacción y las impresoras que cuentan con ellas hablamos en el artículo Tips para prevenir el warping y el cracking).

  • Temperatura de transición vítrea (Tg): Es un valor que nos indica a que temperatura el polímero disminuye su densidad, dureza, rigidez y su porcentaje de elongación.

  • Temperatura de fundición: Es la temperatura a la cual el polímero pasa a estado líquido (esta temperatura no puede ser claramente definida en los polímeros con estructura amorfa).
Temperatura de fundición filamentos de impresión 3D
Te: Temperatura de recocido. Ti: Tiempo de recocido
Temperatura de transición vítrea de filamentos de impresión 3D

¿Para qué sirve aplicar el recocido a una pieza impresa en 3D?

El objetivo de aplicar recocido es “la reorganización de la estructura molecular del material y/o la eliminación de tensiones internas”.

Aplicar recocido a una pieza impresa en 3D, permite proporcionarle mejores propiedades mecánicas y/o térmicas a dicha pieza.

Una vez aplicamos el recocido a nuestra impresión 3D ésta debería ser capaz de soportar un mayor esfuerzo mecánico y a su vez soportar un poco mejor temperaturas más elevadas.

Esto no ocurre por igual en todos los materiales, normalmente se obtienen mejores beneficios al aplicarle el recocido a un material con estructura cristalina o semicristalina que a un material con estructura amorfa.

Es necesario tener esto en cuenta, porque el recocido tiene sus desventajas, es por eso que deberíamos analizar los pros y contras de aplicar este tratamiento térmico a un determinado material.

O incluso para ser más específico a una determinada impresión 3D, estudiar cuidadosamente qué función se le dará a dicho objeto, para ver si realmente los beneficios de aplicar recocido superan las desventajas.

De las ventajas y desventajas de aplicar este post-procesamiento térmico hablaremos más adelante.

¿A qué materiales les puedo aplicar el recocido?

A todos, solo recuerda que en los materiales amorfos solo lograrás disminuir el estrés térmico.

En los materiales cristalinos o semi-cristalinos serás capaz de reducir el estrés térmico y además reorganizar la estructura molecular.

A que filamentos de impresión 3D se les puede aplicar recocido?

Ventajas y desventajas de aplicar recocido

VentajasDesventajas
– Mejora la capacidad de soportar esfuerzos mecánicos.  

– Mejora la resistencia a deformarse por altas temperaturas.
– Cambios dimensionales al aplicar recocido, las piezas se suelen encoger en los ejes X y Y, además de expandirse en el eje Z.  

– Posibles deformaciones de la pieza al aplicar este tratamiento térmico.

– Mayores gastos eléctricos para tener la pieza finalizada.  

– Este post-procesamiento agregaría un tiempo adicional entre empezar a imprimir y tener nuestra pieza finalizada para que cumpla su función.

Para disminuir la posibilidad de sufrir deformaciones durante el recocido, se recomienda hundir la pieza en arena o sal, para posteriormente ingresar todo el conjunto (pieza + arena) o (pieza + sal) al horno para aplicar el respectivo tratamiento térmico.

Otro punto importante a tomar en cuenta es que se recomienda imprimir en 3D las piezas con un 100% de infill, esto con la finalidad de que el recocido quede lo mejor posible.

Con la intención de anticiparse a los cambios dimensionales causado por el recocido, se suele analizar primero el porcentaje de cambio de la pieza al aplicar recocido, si por ejemplo cambia en el eje X un 5%, en el eje Y un 3% y en el eje Z un 2%, lo que hacemos es escalar la pieza esas dimensiones con el fin de que después de aplicar el recocido el objeto quede de las dimensiones deseadas.

La desventaja de esto es que tendríamos que realizar 2 impresiones, esto solo si nos interesa demasiado que la pieza quede con las dimensiones exactas a las del diseño.

¿Que necesito para aplicar recocido a una impresión 3D?

Necesitas un horno eléctrico, no se aconseja hacer esto con hornos a gas, cuando involucramos fuego o llamas en el proceso de recocido es muy posible que el calor no se distribuya de manera uniforme en la pieza, por lo que se derretirían o deformarían excesivamente las partes que estén en más cerca del fuego.

También se necesita un termómetro que esté lo más cerca posible de la pieza, para tener una lectura más precisa de la temperatura a la que estamos exponiendo la impresión en 3D.

Necesitaras un cronometro para medir el tiempo del recocido.

Que se necesita para aplicar recocido?

Se suele utilizar un material aislante al calor para colocar la pieza impresa en 3D, de lo contrario se podría adherir la pieza a la superficie donde la coloquemos.

Podría serte de utilidad sumergir la pieza en arena o sal para disminuir o prevenir las posibles deformaciones causadas al aplicar este post-procesamiento.

También debes saber que venden hornos eléctricos que cumplen esta función, es decir, están diseñados para programarles la temperatura a alcanzar, el tiempo que se mantendrán en una determinada temperatura, y por último cuando empezar a enfriarse.

Un horno de este tipo también podríamos fabricarlo nosotros mismo. En nuestro caso hicimos uno con una carcasa de un microondas, una resistencia eléctrica, un Arduino y entre otras cosas.

Si están interesados en saber cómo construirlo, déjanos un mensaje en los comentarios y podríamos hacer otro artículo sobre cómo construir este horno para aplicar recocido.

Objetos que se necesitan para aplicar recocido

¿Cómo aplicar recocido al PLA?

Un buen punto de partida es recocer el PLA a una temperatura aproximada entre 65°C y 70°C, por un tiempo de entre 40 minutos y 80 minutos, luego dejar enfriar muy lentamente.

Los parámetros “tiempo” y “temperatura” pueden ser variados, puedes experimentar con ellos, analizar con cuales obtienes mejores resultados, simplemente intentamos darte una idea de con cuales valores empezar a probar.

¿Cómo aplicar recocido al PETG?

Un buen punto de partida es recocer el PETG a una temperatura aproximada entre 75°C y 78°C, por un tiempo de entre 40 minutos y 80 minutos y luego dejar enfriar muy lentamente.

Los parámetros “tiempo” y “temperatura” pueden ser variados, puedes experimentar con ellos, analizar con cuales obtienes mejores resultados, simplemente intentamos darte una idea de con cuales valores empezar a probar.

¿Cómo aplicar recocido al Nylon?

Con el Nylon es más difícil darles un punto de partida, porque en el mercado existen diversos tipos de filamentos fabricados de este material que se funden a diversas temperaturas.

Estamos hablando de que hay algunos filamentos que pueden ser fundidos en las impresoras 3D a 220°C y otros a temperaturas tan altas como de 270°C.

Por ejemplo para un Nylon Taulman 230 un buen punto de partida es recocerlo a una temperatura aproximada entre 70°C y 73°C, por un tiempo de entre 50 minutos y 120 minutos.

Recuerda que puedes variar estos valores, puedes experimentar con ellos para ver cuáles te ofrecen mejores resultados. Con el Nylon tendrás que elegir una temperatura en función al tipo de Nylon con el cual esté fabricado tu filamento.

¿Cómo aplicar recocido al ABS y ASA?

Para el recocido de ambos materiales puede ser un buen punto de partida una temperatura aproximada ente 105°C y 107°C, por un tiempo de entre una hora y dos horas, luego dejar enfriar muy lentamente.

Los parámetros “tiempo” y “temperatura” pueden ser variados, puedes experimentar con ellos, analizar con cuales obtienes mejores resultados, simplemente intentamos darte una idea de con cuales valores empezar a probar.

¿Cómo aplicar recocido al PC?

Un buen punto de partida es recocer el PC a una temperatura aproximada entre 123°C y 125°C, por un tiempo de entre una hora y dos horas, luego dejar enfriar muy lentamente.

Los parámetros “tiempo” y “temperatura” pueden ser variados, puedes experimentar con ellos, analizar con cuales obtienes mejores resultados, simplemente intentamos darte una idea de con cuales valores empezar a probar.

Ejemplo de aplicación de recocido a una pieza impresa en PLA

Para determinar qué tan factible es aplicar recocido a las piezas impresas por FDM, y también para poder mostrarte como es el proceso de aplicar este tratamiento térmico a las impresiones, decidimos imprimir en PLA ocho probetas: cuatro de las probetas son de un filamento PLA color negro y cuatro de las probetas son de un filamento PLA color naranja.

De las ocho probetas le aplicaremos recocido a cuatro de ellas, a dos probetas negras y dos probetas naranjas, para posteriormente hacer unas pruebas de resistencia mecánica y térmica con la finalidad de comparar el comportamiento de las probetas recocidas con el de las probetas sin recocer.

Ejemplo de aplicación de recocido a una pieza impresa en PLA
Modelo 3D de una probeta
Como aplicar recocido a una impresión 3D
Las medidas están expresadas en milímetros (mm)
Recocido de PLA
Modelo de la probeta en el Slicer Simplify 3D
Que es el recocido?
Probetas impresas en 3D

Las probetas fueron impresas con un infill de 100%, esto permite obtener mejores resultados durante el recocido.

Una vez impresas en 3D las probetas que queremos recocer, las colocamos dentro de un envase con arena, nos aseguramos de hundir las probetas en esta arena y posteriormente se procede a aplicar el recocido, el cual consiste en calentar paulatinamente el horno hasta alcanzar una temperatura de 65°C y mantenemos esa temperatura durante 80 minutos.

Posteriormente se deja enfriar lentamente el horno hasta alcanzar la temperatura ambiente. Abajo te dejamos un video explicando el proceso.

Preparación para realizar precocido a impresiones 3D
Probetas en arena
Proceso de recocido de piezas impresas en 3D
Proceso de recocido
Horno para aplicar recocido a impresiones 3D
Proceso de enfriamiento del recocido

A continuación, encuentra el video del precocido (Si no tienes activados los subtítulos en español, recuerda activarlos) :

Cómo aplicar recocido a impresiones 3D

Una vez tengamos las 4 probetas recocidas, iniciamos las pruebas mecánicas y térmicas.

Pruebas mecánicas y térmicas a una impresión 3D con recocido

1. Ensayo de fuerza mecánica en probetas negras

Encuentra a continuación el video de la prueba mecánica (Si no tienes activados los subtítulos en español, recuerda activarlos):

El resultado de este ensayo fue el siguiente:

  • La probeta sin recocer quebró a los 5,5Kg.
  • La probeta recocida quebró a los 7,2Kg.
  • La diferencia fue de 1,7Kg.

2. Ensayo de fuerza mecánica en probetas naranjas

Encuentra a continuación el vídeo de la prueba mecánica (Si no tienes activados los subtítulos en español, recuerda activarlos):

El resultado de este ensayo fue el siguiente:

  • La probeta sin recocer quebró a los 5,6Kg.
  • La probeta recocida quebró a los 6,6Kg.
  • La diferencia fue de 1Kg.

3. Ensayo térmico en probetas negras

Encuentra a continuación el vídeo de la prueba térmica (Si no tienes activados los subtítulos en español, recuerda activarlos):

El resultado de este ensayo fue el siguiente:

  • La probeta sin recocer se deformo primero.
  • La tuerca que se encontraba en la probeta sin recocer se cayó.
  • La probeta recocida prácticamente no sufrió deformación al calor en comparación con la probeta sin recocer.

4. Ensayo térmico en probetas naranjas

Encuentra a continuación el vídeo de la prueba térmica (Si no tienes activados los subtítulos en español, recuerda activarlos):

El resultado de este ensayo fue el siguiente:

  • La probeta sin recocer se deformo primero.
  • Ninguna de las tuercas que se encontraban en las probetas se cayeron.
  • La probeta recocida prácticamente no sufrió deformación al calor en comparación con la probeta sin recocer.
Pruebas mecánicas y térmicas a piezas con recocido
Resultados del ensayo térmico
Nota: Los valores de temperatura en ambos ensayos térmicos solo son referenciales. Esto se debe a que el termómetro utilizado no es capaz de medir la temperatura exactamente al nivel de donde se encuentran ubicadas las probetas.

También queremos hacer mención que no encontramos cambios dimensionales apreciables mensurable con el vernier (nonio o calibrador) en las probetas recocidas, claro está, esto fue comparándolas con las probetas que no se recocieron.

En el experimento determinamos que si se lograron obtener mejorías en cuanto a las propiedades mecánicas y térmicas en las piezas recocidas.

Conclusiones sobre aplicar recocido a impresiones 3D

Podemos concluir que el recocido puede ser de utilidad en determinados casos. Debemos tener en consideración las desventajas del recocido y analizar tomando en cuenta la función que tendrá la pieza si vale la pena o no aplicar este tratamiento térmico.

En nuestro experimento recociendo PLA logramos observar que las probetas recocidas obtuvieron mejores rendimientos mecánicos y térmicos. Por lo tanto, podemos afirmar que las mejorías después del recocido sí son apreciables.

De igual forma la temperatura y el tiempo de recocido puede ser variado, es posible experimentar con diferentes valores con la intención de intentar obtener mejores resultados, pero recuerda que a mayores temperaturas mayores serán las posibilidades de que la pieza sufra de cambios dimensionales importantes y también de mayores deformaciones.

Cuando vayas a aplicar recocido a impresiones 3D te aconsejamos que la pieza cuente con 100% de Infill.

También que tomes en consideración que pudiesen existir cambios dimensionales en la pieza después de finalizar el tratamiento térmico, en nuestro caso esto no ocurrió porque utilizamos una buena temperatura de recocido para el PLA (65°C), en la cual la pieza no sufre casi deformaciones ni cambios dimensionales. Además, colocamos las piezas en arena, lo cual también aconsejamos ya que así también ayudamos a prevenir que ocurran estas deformaciones.

Saludos.

¡Hasta pronto Machine Bros!

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3 COMENTARIOS

  1. MUY INTERESANTE TODO EL TEMA. ME INTERESARIA DISPONER SI ES POSIBLE, LOS DETALLES DE COMO CONSTRUIR UN HORNO CASERO PARA RECOCIDO. IMPRIMO EN POLIAMIDA Y TAMBIEN PETG,, Y ME SERVIRIA PODER EXPERIMENTAR ESTA TECNICA PARA OBTENER MEJORES CARACTERISTICAS EN LAS PIEZAS DE IMPRESION.

    DESDE YA MUCHAS GRACIAS.

    • Saludos, gracias por escribirnos. Te comentamos que para un próximo articulo tenemos planteado explicar cómo hicimos nuestro horno para recocido, pero no es ningún problema explicarte un poco sobre el tema.

      1- Para empezar, necesitas una carcasa o caja que sea capaz de conservar bien el calor, en nuestro caso utilizamos la carcasa de un microondas viejo.

      2- Necesitas un controlador, nosotros utilizamos un Arduino con un programa PID (Te aconsejamos que investigues sobre «PID + Arduino» en Google).

      3- Necesitas la fuente de calor, en nuestro caso utilizamos una resistencia eléctrica de cocina.

      4- Necesitas un sensor de temperatura, hay muchos modelos, lo importante es que sea capaz de soportar las temperaturas con las que deseas trabajar, lo más fácil es elegir un sensor que cuente con tutoriales sobre como trabajar con dicho sensor en el Arduino y las respectivas librerías. Nosotros usamos el sensor DS18B20

      5- Necesitas una manera de controlar la potencia de la resistencia eléctrica o simplemente algo que encienda y apague la resistencia eléctrica (Ejemplo un relé). Si decides controlar la potencia eléctrica de la resistencia, debes buscar y armar un circuito capaz de hacer eso controlándolo con Arduino (Investiga sobre «Regulación de potencia AC con Arduino»), y si decides simplemente utilizar un relé (Como fue nuestro caso) te recomendamos utilizar un «relé de estado sólido», pues el relé estará constantemente activándose y desactivándose, busque en Google (PID + Relay + Arduino).

      6- Necesitas una fuente de voltaje para alimentar el Arduino.

      Básicamente esas son las partes fundamentales del horno, si lo deseas puedes usar o no pantallas, teclados, potenciómetro, botones, bombillos, etc… Pero las piezas principales para construir el horno son las mencionadas con anterioridad.

      Siga atento a nuestros canales, redes sociales y pagina web para que pueda estar al tanto de cuando subamos el articulo explicando como construimos nuestro horno. Por el momento estamos trabajando en una serie de artículos que explican como diseñar y replicar engranajes. Cualquier cosa no dude en escribirnos, estamos para ayudar.

      Saludos cordiales.

      Atentamente el equipo de The Machine Bros

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