Cómo arreglar el efecto Pillowing (mejorar la capa superior)

El pillowing es un defecto en impresión 3d que se manifiesta en las capas superiores de las piezas. Debido a esto, notamos el problema cuando la impresión está a punto de terminar, haciendo que perdamos el máximo posible de tiempo y material. Darle una solución definitiva es crucial para mejorar la calidad de nuestras impresiones.

En este articulo detallare, paso por paso, los distintos cambios y mejoras que podemos llevar a cabo para eliminar este defecto de nuestras impresiones. De manera resumida, podemos implementar las siguientes modificaciones para deshacernos del Pillowing:

El efecto Pillowing se puede eliminar aumentando el grosor de las capas superiores, aumentando el porcentaje de relleno, reduciendo la temperatura de impresión, imprimiendo más lento, solucionando problemas que conducen a la falta de extrusion y mejorando el enfriamiento durante la impresión. Asimismo, Cura permite usar «Ironing», el cual tiene como resultado una superficie superior lisa y homogenea.

¿Qué es el “Pillowing”?

Una pieza que, entre muchos otros defectos, presenta el efecto Pillowing. Fuente

La palabra pillowing (almohada) hace referencia al patrón que se forma en la capa superior de una impresión cuando se detecta este defecto. La superficie de la capa se torna muy irregular, y puede presentarse en forma de bultos, agujeros y separaciones indeseadas. La falta de material en algunas zonas se contrapone al exceso de filamento depositado alrededor de los agujeros, dando a la pieza un aspecto desagradable.

Como cada capa necesita apoyarse sobre la anterior, el lugar exacto donde comenzará a darse el pillowing es donde no hay un relleno suficientemente denso debajo que sirva como soporte de la estructura. Podría compararse con un puente sobre un río. Si el río es demasiado ancho, el puente necesitará columnas a su largo para no flexionarse hacia abajo cuando reciba un peso encima. En este caso, el filamento recibe un buen apoyo en la estructura interna (relleno) pero se dobla y cae a medida que se aleja del relleno durante la extrusión.

Además de curvarse el filamento hacia abajo, la distancia de extrusión sobre el vacío no es igual en cada pasada, haciendo que en algunos tramos el colgante sea mayor o menor. Esto provoca que no haya constancia en la extrusión y se produzcan variaciones irregulares de presión dentro del barrel. Como consecuencia, algunos tramos de filamento estarán más calientes que otros y la dilatación térmica provocará deformaciones en la pieza.

Por otra parte, no se llegará a producir una correcta superposición entre líneas de una misma capa, haciendo que algunas de ellas se tuerzan y se levanten por falta de adherencia.

Otro de los inconvenientes que pueden surgir cuando se presenta este problema es el choque entre el nozzle y los bultos en la última capa impresa, lo cual hace que se agrave la situación en cada pasada. Los agujeros se agrandan y el plástico acumulado se hace cada vez más voluminoso. En caso de que la superficie superior de la pieza sea suficientemente extensa, este exceso de material puede endurecerse y provocar desplazamientos de las capas subsiguientes, al superar en cada choque del nozzle y la pieza, el torque disponible en los motores paso a paso.

¿Qué cause el efecto Pillowing?

En líneas generales, el defecto surge por un incorrecto enfriamiento de la capa. Se puede analizar la extrusión para entender el fenómeno: en una situación ideal, el filamento llega a su temperatura de extrusión en un estado semi sólido, es empujado a través del nozzle y sale a través de él mientras inmediatamente disminuye su temperatura hasta lograr endurecerse lo suficiente como para mantenerse en el lugar donde fue extruido.

Como sabemos, esto no es así sino que se necesita un período de tiempo lo suficientemente largo como para permitir el enfriamiento del plástico. Este tiempo depende, entre otras variables, de la temperatura de impresión, de la temperatura y cercanía de la capa impresa a la cama caliente, del tipo de material que se esté utilizando y del medio que se utilice para acelerar este proceso. Normalmente, se emplean ventiladores de capa direccionados a la salida del nozzle, que fuerzan una corriente de aire “frío” para que refrigeren el filamento ni bien es extruido.

Mientras más rápido se enfríe el filamento, menor tiempo tendrá para curvarse y formar el patrón pillow.

Cómo solucionar el efecto Pillowing

Como todo problema en impresión 3d, las causas pueden ser múltiples y de diverso tipo: ya sean mecánicas, de calibración o de configuración de parámetros de impresión. El primer paso para resolver el pillowing es determinar el origen del problema. Mi consejo es siempre destinar todo el tiempo que sea necesario para calibrar correctamente la impresora. De otra forma, se puede estar aplicando buenas soluciones y procedimientos adecuados a un problema sin conseguir los resultados deseados. Una vez que estemos seguros de que las condiciones son correctas, se debe analizar las siguientes correcciones:

Aumentar el grosor de la capa superior

Por lo general, el pillowing solo muestra sus efectos en la capa superior de la pieza. Por ello, es ahí dónde se debe enfocar el esfuerzo. Como ya vimos, el efecto deja en la superficie superior una serie de bultos y agujeros que se repiten y forman un patrón acorde al tipo de relleno que establecimos. Al aumentar el grosor de la capa, lo que hacemos en realidad es colocar un mayor número de capas superiores completas, siendo este número un múltiplo de la altura de capa definida en los parámetros de impresión.

Debe observarse que el pillowing es más notorio en la primera capa superior completa, ya que la distancia entre sus puntos de apoyo es mayor. A medida que se generan nuevas capas, cada una encuentra una superficie de apoyo más regular y mejor distribuida. Llegado cierto punto, la capa se imprimirá de forma pareja, de igual forma que lo hace la primera capa de la pieza contra la cama caliente.

El número adecuado de capas superiores depende en gran medida de la altura de capa utilizada. Mientras más fina sea la capa, mayor número de capas superiores se deberán colocar. A modo orientativo, para una altura de capa de 0.2 mm, no debería notarse el efecto pillowing a partir de la 4ta capa completa.

Si no es así, se deberán probar otras alternativas.

Chequear si hay falta de extrusión

Un objeto que presenta falta de extrusión. Fuente

Es posible que la falta de regularidad en las últimas capas no sea causada por el efecto pillowing, sino que sean producto de sub extrusión. En este caso, la falla se verá más claramente en capas sólidas, pero se presentarán faltantes de material en lugares aleatorios de la pieza. Una forma de comprobarlo es observar la rugosidad de las paredes de la pieza, si la extrusión es correcta, la línea de los bordes de cada capa debe ser consistente en toda su extensión.

Si se detecta la falta de extrusión, se debe revisar, como mínimo, que la presión entre el tornillo moleteado y el rodamiento del extrusor sea suficiente para empujar el filamento sin resbalar.

En caso de estar bien ajustada, se procede a verificar que el motor paso a paso del extrusor no pierda pasos durante su funcionamiento. Esto puede deberse a una obstrucción del sistema (nozzle tapado, tubo de PTFE deformado o derretido, restos de filamentos de distinto material con mayor temperatura de trabajo, etc) o también a la mala calibración de sus drivers.

Mejorar el enfriamiento durante la impresión

Una Ender 3 con fan de capa doble. Fuente

Como el pillowing se produce debido al incorrecto enfriamiento de la capa, puede solucionarse mejorando la forma en la que se utiliza el ventilador de capa.

Algunas impresoras 3d no cuentan con el ventilador incorporado, por lo que hace falta agregarle uno. En este caso, siempre es conveniente utilizar los de tipo blower, que logran un flujo de aire más potente que los ventiladores de tipo radial. Otro aspecto a tener en cuenta es la forma de la tobera: algunas están mal orientadas o son demasiado grandes o pequeñas para el ventilador que se encuentra montado. Se recomiendan las toberas de tipo radial, que envían el aire alrededor de todo el nozzle, evitando que exista una zona fría y una zona caliente en la capa.

Aumentar el porcentaje de relleno

Distintos porcentajes de relleno.

Como ya se explicó, el efecto es más grave conforme la distancia entre los puntos de apoyo del filamento sea mayor. Esto puede corregirse aumentando la cantidad de relleno en la pieza, lo cual acerca entre sí las líneas del relleno elegido. Un buen porcentaje de relleno, que no compromete seriamente la velocidad de impresión, se encuentra entre 15 y 25%. El patrón de relleno también es importante, siendo muy recomendable usar el relleno tipo giroide, que además de optimizar los tiempos de impresión, le da a la pieza una mayor resistencia.

Reducir la temperatura de impresión

Una torre de temperatura muestra la variación en la calidad de impresión frente a distintas temperaturas de extrusión. Fuente

El pillowing es más notorio cuanto más caliente está el filamento a la salida del nozzle, por lo que es una buena idea reducir este valor lo más posible. Así, el filamento alcanzará más rápidamente su temperatura de solidificación, reduciendo el defecto observado. Es fundamental imprimir torres de temperatura cada vez que se utiliza un nuevo tipo de material, o al cambiar la marca que normalmente utilizamos, ya que algunos filamentos del mismo material pueden variar su temperatura de impresión en hasta 20º. Incluso el color puede alterar las propiedades del plástico.

Este test nos permite conocer la temperatura ideal en la cual debemos imprimir. Para ayudar a reducir el pillowing, deberá establecerse la temperatura de impresión más baja que sea posible.

En el caso del PLA, la temperatura ideal puede ser de 185º hasta 220º, por lo que habrá que experimentar con este parámetro.

Imprimir más lento

Un modelo impreso a distintas velocidades muestra cambios significativos en los resultados.

Algunas piezas tienen capas superiores pequeñas, lo cual no permite asegurar un tiempo adecuado para que se enfríen correctamente antes de iniciar una nueva capa. Reducir la velocidad de impresión, al menos en las capas superiores, puede ayudar a que el plástico tenga más tiempo disponible para su enfriamiento. A modo orientativo, el PLA debería poder imprimirse sin problemas en ninguna de sus capas a 40 mm/s. El software laminador Cura prevé la reducción en la velocidad de impresión en las capas cuyo tiempo de impresión sea menor a un valor preestablecido en el perfil de impresión. Un tiempo adecuado es de 15 segundos, como mínimo, para cada capa.

Otras maneras de solucionar el Pillowing en la capa superior

Ironing en Cura

Izquierda: superficie con ironing.
Derecha: superficie sin ironing.

Esta función consiste en hacer que el nozzle haga una pasada sin extruir demasiado, a lo largo de toda la última capa impresa, lo cual alisa la superficie y deja una apariencia más agradable. En algunos casos, esto puede ayudar a mejorar la terminación de la pieza, siempre y cuando no se hayan formado agujeros en la última capa, ya que el ironing (alisado) no agrega suficiente material durante su uso para rellenar los espacios vacíos.

Para habilitarlo, se debe seleccionar:

  1. Ajustes de impresión
  2. Superior e inferior
  3. Habilitar alisado

Al habilitar esta función, se desplegará un submenú con las opciones de alisado. Si bien las opciones por defecto suelen funcionar bien, dependerá del usuario realizar las pruebas que le permitan obtener los mejores resultados, de acuerdo a su impresora y el material que se utilice.

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