Resortes, flexiones y mecanismos flexibles impresos en 3D en SLS PA 12

Qué son los mecanismos flexibles

En lugar de dos piezas que giran alrededor de un pasador, un mecanismo flexible utiliza una sección delgada y flexible que se dobla. Ejemplos típicos:

• Resortes planos y serpentinos que empujan una pieza de vuelta a su posición.
• Resortes en voladizo como retenes, pestillos y botones con resorte.
• Bisagras de flexión que permiten que una pieza gire unos grados en relación con otra.
• Guías de flexión paralelas que mueven una pieza en línea recta sin deslizarse.
• Pinzas y abrazaderas de una pieza que se cierran al presionarlas.
• Mecanismos biestables que saltan entre dos posiciones estables.

Las ventajas son las mismas en cada caso: una pieza en lugar de un ensamblaje, sin holgura, sin fricción ni desgaste en las uniones, sin lubricación y sin nada que perder. El precio es un rango de movimiento limitado y una mirada cuidadosa a la deformación en la zona de flexión.

Por qué el SLS PA 12 se adapta a las flexiones

Para el PA 2200, el PA 12 que imprimimos, EOS da un módulo de tracción de 1.650 MPa, una resistencia a la tracción de 48 MPa y un alargamiento a la rotura del 18 % dentro del plano de capa. Esa combinación de rigidez moderada y buen alargamiento es lo que necesita una flexión: se dobla notablemente sin romperse. Debido a que el SLS no necesita estructuras de soporte, las flexiones delgadas, los resortes anidados y los marcos cerrados se imprimen tal como se diseñaron. A través de las capas, EOS da solo un 4 % de alargamiento y 42 MPa, por lo que la dirección de flexión importa tanto como la forma. Vea qué tan fuerte es el nailon SLS.

Estimación de la deformación en una viga a flexión

La mayoría de las flexiones y resortes se comportan como una viga que se dobla. Para un voladizo recto de sección rectangular constante, la estimación clásica de la deformación en la raíz es:

deformación ε = 1.5 × t × y ÷ L²

• t = grosor de la viga en la dirección de flexión
• y = deflexión en la punta
• L = longitud libre de la viga

La deformación crece con el grosor y la deflexión y disminuye con el cuadrado de la longitud. Una viga más larga es la forma más efectiva de obtener más recorrido con menos deformación. Mantenga la deformación calculada muy por debajo del 18 % que EOS da para el plano de capa, y aún más baja para las piezas que se doblan muchas veces; el alargamiento a la rotura es el punto donde se rompe una barra de prueba, no un valor de diseño. La misma regla se explica para los clips en uniones a presión en SLS PA 12.

Estimación de la rigidez

Para el mismo voladizo, la constante del resorte en la punta es aproximadamente:

k = E × b × t³ ÷ (4 × L³)

con b el ancho de la viga y E el módulo. Con E = 1.650 MPa, una viga de 10 mm de ancho, 1,5 mm de grosor y 30 mm de longitud da aproximadamente 0,5 N por milímetro de deflexión. El cubo del grosor y la longitud domina: un 10 % más de grosor hace que el resorte sea aproximadamente un tercio más rígido, un 10 % más de longitud lo hace aproximadamente un cuarto más suave. Trate el resultado como un punto de partida. La rigidez real de una pieza sinterizada depende de la dirección de la capa, la superficie de la pared y el grosor exacto después del acabado, así que mida las primeras piezas y ajuste.

Para hacer una flexión más rígida sin más deformación, hágala más ancha. Para obtener más recorrido, hágala más larga o dóblela en forma de serpentina.

Reglas de diseño para flexiones y resortes SLS

• Doble dentro del plano de capa. La dirección de flexión y la longitud de la viga deben estar en el plano de capa. En la calculadora puede elegir el plano de capa por pieza (XY, XZ o YZ) o dejarnos decidir.
• Redondee los extremos. Los redondeos donde la flexión se encuentra con el cuerpo rígido distribuyen la tensión; una esquina afilada es donde comienzan las grietas.
• Prefiera las flexiones de hoja a las bisagras de muesca. Una muesca corta concentra toda la flexión en una zona diminuta. Una hoja más larga y uniforme la distribuye y dura más.
• No lo haga demasiado delgado. La calculadora advierte por debajo de 0,8 mm, y las características delgadas pueden romperse durante la eliminación del polvo y el granallado. Gane flexibilidad con la longitud, no con la delgadez.
• Añada topes. Una nervadura que limita el recorrido protege la flexión de ser estirada en exceso.
• Mantenga los espacios abiertos. Entre las secciones móviles y fijas, deje al menos 0,5 mm para que se pueda eliminar el polvo y nada se fusione; vea bisagras y ensamblajes impresos en su lugar.
• Compruebe la tolerancia. El grosor varía dentro de nuestra directriz de diseño de ±0,3 % (al menos ±0,3 mm), y la rigidez sigue el cubo del grosor, por lo que una flexión delgada varía más en rigidez que en tamaño.

Límites de los resortes de plástico

• Fluencia y relajación. Bajo una carga o deflexión permanente, los plásticos ceden lentamente, y un resorte que se mantiene comprimido pierde parte de su fuerza con el tiempo. Esto sucede más rápido en condiciones cálidas; EOS da un rango de -40 a +80 °C para el PA 2200 bajo tensión constante. Los mecanismos flexibles que se mueven y vuelven al reposo funcionan mejor que los resortes que permanecen precargados.
• Fatiga. El número de ciclos que sobrevive una flexión depende de su deformación, su superficie y su dirección. Para los mecanismos que se mueven muchas veces, mantenga la deformación baja y pruebe.
• Precisión de la fuerza. Un resorte impreso no es un resorte calibrado. Donde una fuerza deba ser exacta o constante durante años, utilice un resorte de metal y diseñe la pieza impresa para sostenerlo.
• Bisagras vivas. Una bisagra delgada que se dobla en un ángulo grande es un caso especial con sus propias reglas; vea bisagras vivas en nailon SLS.

Pruebe antes de hacer commit

La rigidez y la vida útil son más fáciles de probar que de calcular con exactitud. Imprima una muestra con tres a cinco flexiones de diferentes grosores o longitudes, mida la fuerza a una deflexión conocida y dóblelas con la misma frecuencia con la que se doblará la pieza real. Las muestras pequeñas cuestan poco, y la calculadora muestra el precio tan pronto como usted sube el archivo. Para las reglas generales de diseño, consulte las pautas de diseño SLS.

Acabado y color

Cada pieza es granallada con microesferas de vidrio y pulida en una DyeMansion Powershot DUAL. Según DyeMansion, el proceso compacta la superficie sin eliminar material, por lo que el grosor diseñado se mantiene tal cual. El teñido en uno de los 61 colores es opcional; el negro y el naranja están en stock, los otros 59 colores añaden aproximadamente un mes (20 días laborables) al tiempo de entrega.

¿Necesita ayuda para diseñar un mecanismo flexible para un producto? Los ingenieros de prototype.builders pueden encargarse del diseño y las pruebas.

Preguntas frecuentes

¿Puede imprimir en 3D un resorte funcional?

Sí. Los resortes planos, los resortes en serpentín, los resortes en voladizo y las flexiones funcionan bien en SLS PA 12 cuando la deformación en la zona de flexión se mantiene muy por debajo del alargamiento a la rotura. Son adecuados para fuerzas ligeras y recuentos de ciclos moderados; para fuerzas altas o constantes elásticas precisas y duraderas, es mejor un resorte de metal.

¿Qué es un mecanismo flexible?

Un mecanismo que obtiene su movimiento de la flexión elástica de secciones flexibles en lugar de articulaciones, pasadores o rodamientos. Se fabrica en una sola pieza, no tiene holgura ni fricción en las articulaciones y no necesita ensamblaje.

¿Qué dirección de capa es mejor para las flexiones?

La sección de flexión debe flexionarse dentro del plano de la capa. Para PA 2200, EOS indica un alargamiento a la rotura del 18 % en el plano de la capa y del 4 % a través de las capas. En la calculadora, usted puede elegir el plano de la capa por pieza.

¿Los resortes de plástico impresos en 3D pierden fuerza con el tiempo?

Bajo una carga o deflexión permanente, los plásticos fluyen y se relajan, más aún cuando están calientes. Un resorte de PA 12 que se mantiene comprimido durante mucho tiempo puede perder parte de su fuerza. Diseñe para cargas intermitentes, o use un resorte de metal donde la fuerza deba mantenerse constante.

¿Qué tan delgada puede ser una flexión en SLS?

La calculadora advierte sobre paredes con un grosor inferior a 0.8 mm, y las características muy delgadas son frágiles durante el despolvado y el granallado. Haga las flexiones más largas en lugar de más delgadas, e imprima una muestra de prueba con varios grosores si la rigidez es importante.