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• ClaudioNazarenoMartín

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IMPRESORA 3D

por

Rocio Pereyra Zabala Lucas E.E.S.T.N°1

INTRODUCCÍON

La impresión 3D es un grupo de tecnologías de fabricación por adición donde un objeto tridimensional es creado mediante la superposición de capas sucesivas de material. Las impresoras 3D son por lo general más rápidas, más baratas y más fáciles de usar que otras tecnologías de fabricación por adición, aunque como cualquier proceso industrial, estarán sometidas a un compromiso entre su precio de adquisición y la tolerancia en las medidas de los objetos producidos. Las impresoras 3D ofrecen a los desarrolladores del producto la capacidad para imprimir partes y montajes hechos de diferentes materiales con diferentes propiedades físicas y mecánicas, a menudo con un simple proceso de ensamble. Las tecnologías avanzadas de impresión 3D pueden incluso ofrecer modelos que pueden servir como prototipos de producto. Desde 2003 ha habido un gran crecimiento en la venta de impresoras 3D. De manera inversa, el coste de las mismas se ha reducido. Esta tecnología también encuentra uso en campos tales como joyería, calzado, diseño industrial, arquitectura, ingeniería y construcción, automoción y sector aeroespacial, industrias médicas, educación, sistemas de información geográfica, ingeniería civil y muchos otros.

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PRINCIPIOS GENERALES

El aditivo de fabricación se lleva a planos virtuales de diseño asistido por ordenador (CAD) o el software de modelado y animación, se encuentran en secciones digitales para la máquina para utilizar sucesivamente como una guía para la impresión. Dependiendo de la máquina que se utiliza, el material o un material de unión se deposita sobre el lecho de construcción o de la plataforma hasta que el material de estratificación / aglutinante es completa y el modelo 3D final ha sido "impreso". Una interfaz estándar de datos entre el software CAD y de las máquinas es el formato de archivo STL (STL (siglas provenientes del inglés “STereo Lithography”) es un formato de archivo informático de diseño asistido por computadora (CAD) que define geometría de objetos 3D, excluyendo información como color, texturas o propiedades físicas que sí incluyen otros formatos CAD). Un archivo STL se aproxima a la forma de una pieza o un ensamblaje utilizando facetas triangulares. Facetas más pequeñas producen una superficie de mayor calidad. CAPA es un formato de archivo de entrada analizador generado, y VRML (WRL) o archivos a menudo se utilizan como entrada para las tecnologías de impresión 3D que son capaces de imprimir a todo color.

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METODOS DE “IMPRESIÓN”

Un gran número de tecnologías en competencia están disponibles para la impresión 3D; sus principales diferencias se encuentran en la forma en la que las diferentes capas son usadas para crear piezas. Algunos métodos usan fundido o ablandamiento del material para producir las capas, por ejemplo sinterizado de láser selectivo (SLS) y modelado por deposición fundida (FDM), mientras que otros depositan materiales líquidos que son curados con diferentes tecnologías. En el caso de manufactura de objetos laminados, delgadas capas son cortadas para ser moldeadas y unidas juntas. Cada método tiene sus propias ventajas e inconvenientes; por ello, algunas compañías ofrecen elegir entre polvos y polímero como material de fabricación de la pieza según sean las prioridades del cliente. Generalmente las consideraciones principales son velocidad, coste del prototipo impreso, coste de la impresora 3D, elección y coste de materiales, así como capacidad para elegir el color.

Tipo

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Tecnologías

Materiales

Extrusión

Modelado por deposición fundida(FDM)

Termoplásticos (por ejemplo PLA, ABS), HDPE, metales eutécticos, materiales comestibles

Hilado

Fabricación por haz de electrones(EBF3)

Casi cualquier aleación

Granulado

Sinterizado directo de Casi cualquier aleación metal por láser (DMLS)

Laminado

Fusión por haz de electrones(EBM)

Aleaciones de titanio

Sinterizado selectivo por calor(SHS)

Polvo termoplástico

Sinterizado selectivo por láser(SLS)

Termoplásticos, polvos metálicos, polvos cerámicos

Proyección aglutinante (DSPC)

Yeso

Laminado de capas (LOM)

Papel, papel de aluminio, capa de plástico

Estereolitografía (SLA)

fotopolímero

Fotoquímicos Foto polimerización por fotopolímero luz ultravioleta (SGC)

FUNCIONAMIENTO La impresión se logra mediante un proceso de adición de capas de material fundido, superpuestas una sobre otra, hasta obtener el objeto final; a diferencia de los procesos tradicionales de mecanizado mediante los cuales se remueve material de la pieza. A continuación se detalla el proceso de prototipado de una pieza física desde la fase de preparación del modelo hasta la de fabricación del prototipo. Este proyecto se centra en la ultima.

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DESCRIPCION Paso 1. Partiendo desde la fase de diseño se elabora un modelo CAD que represente la pieza que se quiere fabricar

Paso 2. El modelo se exporta a un formato estandarizado para que pueda pasar a la siguiente fase. Este formato normalmente suele ser .STL. Este formato representa la superficie de la pieza mediante una malla de triángulos Paso 3. Mediante un programa denominado slicer. (Se denomina slicer debido a que el programa “trocea la información del modelo y la separa en capas planas para que puedan ser traducidas en movimientos del plano XY”). La geometría del modelo se traduce en movimientos del cabezal o del láser dependiendo de la tecnología que se vaya a utilizar. Estos movimientos se almacenan en un archivo en código G o Gcode (ambas nomenclaturas se van a emplear indistintamente). El código G es

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MODELO

un formato de archivo de instrucciones muy empleado en control numérico. Paso 4. El archivo Gcode se envía a la impresora y esta produce la pieza especificada.

TIPOS DE MATERIALES Las impresoras 3D no pueden utilizar cualquier material, hay una gran variedad para su impresión, como: transparentes, de colores, opacos, flexibles, rígidos, de alta temperatura y resistencia. Este tipo de materiales satisfacen necesidades de manera visual y táctil, además, son muy resistentes y con la fuerza necesaria que los prototipos requieren. El diseño de nuestro producto nos dará paso a escoger el material que debemos utilizar, la impresora y el proceso por el cual se imprimirá. En la revista Metal Actual señalan que: "En el mercado existen más de 60 tipos de materiales para impresión 3D, que gracias a sus características y propiedades físico químicas, posibilitan la creación de prototipos perfectos, de gran precisión, excelente nivel de detalle y aplicables casi a todos los sectores industriales" (Andrea Ruiz, 2011, p.34). Dentro de los materiales que más se usan están los que simulan plásticos de ingeniería, llamados filamentos, como PLA y ABS. El filamento PLA es un ácido poli láctico, biodegradable y esta derivado del maíz. Tiene múltiples colores incluyendo su color natural, dentro de ellos existen colores translucidos y limitados. El ABS es barato y con buena terminación, el material adecuado para prototipo, que requieren una alta

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resistencia al impacto y golpes demasiado fuertes, este filamento también incluye una amplia variedad de colores. Otro material es la Resina. Ofrece una mayor resolución que ABS, simulan plásticos estándar que están hechos de polipropileno y son perfectos para modelos que necesiten de dureza, flexibilidad y resistencia, como: juguetes, cajas de batería, piezas de automóvil y contenedores. •

Los materiales ABS, pueden encontrarse diversos colores como rojo, anaranjado, amarillo, verde, azul, morado, blanco, gris, negro, color natural del filamento, entre otros.

•

El PLA tiene entre sus colores principales: rojo, rosa, anaranjado, amarillo, verde claro y fuerte, azul, negro, gris, blanco, su color natural, entre otros.

Los filamento vienen caracterizados por el diámetro (en milímetros), se venden generalmente en bobinas por peso (kg.) y son principalmente de los siguiente materiales:

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•

Ácido poli láctico (PLA).

•

Laywoo-d3, compuesto madera/polímero similar al PLA.

•

Acrilonitrilo butadieno estireno (ABS).

•

Poli estireno de alto impacto (HIPS).

•

Tereftalato de polietileno (PET).

•

Elastómero termoplástico (TPE).

•

Nylon, el más utilizado.

ELEMENTOS PARA LA CONSTRUCCION ESTRUCTURA Cantidad

Elementos

1

Marco de fibrofacil

1

Juegos de piezas imprimibles. Varilla Roscada

2

Métrica 10

4

Métrica 8

2

Métrica 5 Varillas Lisas

2

Metrica 8 (345mm)

2

Metrica 8 (320mm)

2

Metrica 8 (380mm)

1

Metrica 8 (20mm)

ELECTRÓNICA

8

Cantidad

Elemento

1

Arduino Mega

1

Ramps 1.4

1

HotEnd

5

Pololu+disipador

2

Termistor de 100k

1

Fuente de alimentación 12v. (al menos de 20A)

3

Finales de carrera

1

Ventilador (electronica)

1

Juego de cableado

MECÁNICA Cantidad

Elementos

5

Motores NEMA 17

2

Correas GT2

2

Poleas GT2

10

Rodamiento LM8UU

1

Tornillo extrusor

TUERCAS, TORNILLERÍA Y ARANDELAS Cantidad

Elemento Tuercas

9

12

Metrica 10

24

Metrica8

2

Metrica5

-

Metrica 4

-

Metrica 3 Tornillería

-

Métrica 4 (25,50mm)

-

Métrica 3 (10,20,25,40mm) Arandelas

8

Métrica 10

4

Métrica 10 de ala ancha (Para el marco)

24

Métrica 8

-

Métrica 4

-

Métrica 3

OTROS 1

Espejo/Cristal 200x200

1

Cable alimentación

1

Cinta kapton

-

Tubo plástico grueso

-

Precintos

DESCRIPCION DE LOS ELEMENTOS MÁS RELEVANTES ELECTRONICA DE CONTROL La electrónica de control se basa exclusivamente en Arduino. La placa controladora elegida es Arduino Mega 2560. Contiene un micro

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controlador ATmega2560. Posee 54 entradas/salidas digitales de las cuales 15 pueden usarse como salidas PWM, 16 entradas analógicas, 4 puertos UART1 , un oscilador de 16MHz, una entrada de corriente, un puerto USB, un ICSP y un botón de reset. Debido a todos sus componentes se trata de una electrónica muy completa. La principal ventaja que ofrece es la accesibilidad de la plataforma Arduino y la compatibilidad con distintos programas como Matlab y Simulink.

DRIVERS POLOLU Los drivers son unos circuitos integrados encargados de recibir las señales de control de la placa Arduino y transmitir los impulsos necesarios a los motores paso a paso. El modelo a emplear va a ser el Driver A4988 distribuido por Pololu Electronics. Sus características principales de funcionamiento se resumen en la siguiente tabla:

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FUNCIONAMIENTO BASICO

Diagrama de bloques del integrado A4988 Los elementos de los cuales está compuesto el driver se resumen en la figura 7.2. El driver recibe seis señales básicas: •

STEP: Un cambio de LOW a HIGH hace que el motor gire un incremento.

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•

DIR: Indica la dirección de giro.

•

RESET: En el caso de estar negada resetea el dispositivo.

•

MS1, MS2 y MS3: Indican la resolución de cada incremento.

Un bloque traductor se encarga de traducir estas señales a la lógica interna del driver y comunica las señales a la unidad de control. Esta gestiona dos puentes DMOS, uno para cada bobina del driver. Al mismo tiempo, un convertidor DAC alimenta cada puente a partir de las señales recibidas en MSx. SHIELD RAMPS La shield RAMPS es la base de la electrónica. Se monta directamente sobre la placa Arduino y ofrece el soporte necesario para integrar los demás elementos.

RAMPS conectada con Arduino y los drivers A4988

CARACTERISTICAS PRINCIPALES A continuación se describen las principales características de la placa RAMPS •

Esta diseñada para controlar tanto el robot cartesiano de posicionamiento como los extrusores

•

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Expandible para poder controlar otros accesorios

•

MOSFETS para controlar los calentadores y 3 circuitos térmicos de control.

•

Protegida por un fusible de 5A.

•

Dispone de una electrónica aparte con un fusible a 11A para controlar elementos que requieran más potencia.

•

Admite 5 placas Plolu A4988

•

Dispone de pines para que las placas Pololu se puedan sustituir con facilidad.

•

Pines I2C y SPI disponibles para expansiones.

•

Todos los MOSFETS están conectados a los pines PWM para ofrecer más versatilidad.

•

USB tipo B.

•

LEDs avisan si los calentadores están conectados.

ALIMENTACION De acuerdo a los requisitos del proyecto va a ser necesaria una fuente de alimentación externa, pues la alimentación por USB está limitada a 900 mA. El equipo necesita una fuente capaz de suministrar 12(5 + 11) = 192W. Una fuente de ordenador ATX2 es capaz de ofrecerlo. INTEGRACION DE EQUIPOS Como ya se ha comentado en la sección anterior, todos los distintos equipos y componentes se integran basándose en la placa RAMPS. La siguiente figura representa el conexionado entre ellos:

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CONFIGURACION DEL FIRMW ARE Como ya se introdujo anteriormente, el firmware elegido en este caso es Marlín. Marlín es un firmware diseñado para ser usado en impresoras de la familia RepRap, pero es fácilmente adaptable a cualquier otra. Ha sido

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desarrollado por Erik Zalm bajo licencia GPL. Actualmente su código fuente está disponible para su descarga libre y gratuita desde GitHub: https://github.com/ErikZalm/Marlin Para configurarlo únicamente hay que seguir los siguientes pasos: SELECCIÓN DE PUERTO SERIE El primer paso es establecer el puerto serie que se va a usar, para ello, seleccionamos en la línea 24 el valor. En nuestro caso es el puerto 0 ya que es el que se encuentra conectado al chip FTDI serie-USB. De esta forma nos podemos comunicar con el ordenador a través del puerto USB. En el caso de querer acoplar algún dispositivo wireless habrá que seleccionar su puerto correspondiente. #define SERIAL_PORT 0 El siguiente paso es seleccionar la velocidad de transferencia. 115200 baudios es una buena opción ya que se trata de la velocidad máxima que soporta la terminal de Arduino y así se puede usar para enviar instrucciones en el caso que queramos realizar un debugging. #define BAUDRATE 115200 CONFIGURACION DE LA ELECTRONICA DE POTENCIA Para configurar la electrónica de potencia primero hay que seleccionar la placa que usemos en la línea 75. Para la impresora del proyecto es la opción 33. //// The following define selects which electronics board you have.. Please choose the one that matches your setup // 10 = Gen7 custom (Alfons3 Version) "https://github.com/Alfons3/ Generation_7_Electronics" // 11 = Gen7 v1.1, v1.2 = 11 // 12 = Gen7 v1.3 // 13 = Gen7 v1.4

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// 2 = Cheaptronic v1.0 // 20 = Sethi 3D_1 // 3 = MEGA/RAMPS up to 1.2 = 3 // 33 = RAMPS 1.3 / 1.4 (Power outputs: Extruder, Fan, Bed) // 34 = RAMPS 1.3 / 1.4 (Power outputs: Extruder0, Extruder1, Bed) // 35 = RAMPS 1.3 / 1.4 (Power outputs: Extruder, Fan, Fan) // 4 = Duemilanove w/ ATMega328P pin assignment // 5 = Gen6 // 51 = Gen6 deluxe // 6 = Sanguinololu < 1.2 // 62 = Sanguinololu 1.2 and above // 63 = Melzi // 64 = STB V1.1 // 65 = Azteeg X1 // 66 = Melzi with ATmega1284 (MaKr3d version) // 67 = Azteeg X3 // 68 = Azteeg X3 Pro // 7 = Ultimaker // 71 = Ultimaker (Older electronics. Pre 1.5.4. This is rare) // 72 = Ultimainboard 2.x (Uses TEMP_SENSOR 20) // 77 = 3Drag Controller // 8 = Teensylu // 80 = Rumba // 81 = Printrboard (AT90USB1286) // 82 = Brainwave (AT90USB646) // 83 = SAV Mk-I (AT90USB1286) // 9 = Gen3+ // 70 = Megatronics // 701= Megatronics v2.0 // 702= Minitronics v1.0 // 90 = Alpha OMCA board // 91 = Final OMCA board // 301= Rambo // 21 = Elefu Ra Board (v3)

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#ifndef MOTHERBOARD #define MOTHERBOARD 34

A continuación, en la línea 86 se define el número de extrusores, que en nuestro caso son 2: Por ´ultimo hay que indicar que fuente de alimentación se va a emplear. La disponible en el prototipo ser ‘a una fuente ATX empotrada en ´el, pero también se puede emplear una fuente externa como la que usa la videoconsola Xbox.

//// The following define selects which power supply you have. Please choose the one that matches your setup // 1 = ATX // 2 = X-Box 360 203Watts (the blue wire connected to PS_ON and the red wire to VCC) #define POWER_SUPPLY 1

DETERMINACION DE LOS SENSORES TERMICOS Los sensores térmicos que se van a emplear son termistores de 100KΩ Honeywell. // ======================================================== =================== //=============================Thermal Settings ============================ // ======================================================== =================== // //--NORMAL IS 4.7kohm PULLUP!-- 1kohm pullup can be used on hotend sensor, using correct resistor and table //

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//// Temperature sensor settings: // -2 is thermocouple with MAX6675 (only for sensor 0) // -1 is thermocouple with AD595 // 0 is not used // 1 is 100k thermistor - best choice for EPCOS 100k (4.7k pullup) // 2 is 200k thermistor - ATC Semitec 204GT-2 (4.7k pullup) // 3 is Mendel-parts thermistor (4.7k pullup) // 4 is 10k thermistor !! do not use it for a hotend. It gives bad resolution at high temp. !! // 5 is 100K thermistor - ATC Semitec 104GT-2 (Used in ParCan & JHead) (4.7k pullup) // 6 is 100k EPCOS - Not as accurate as table 1 (created using a fluke thermocouple) (4.7k pullup) // 7 is 100k Honeywell thermistor 135-104LAG-J01 (4.7k pullup) // 71 is 100k Honeywell thermistor 135-104LAF-J01 (4.7k pullup) // 8 is 100k 0603 SMD Vishay NTCS0603E3104FXT (4.7k pullup) // 9 is 100k GE Sensing AL03006-58.2K-97-G1 (4.7k pullup) // 10 is 100k RS thermistor 198-961 (4.7k pullup) // 20 is the PT100 circuit found in the Ultimainboard V2.x // 60 is 100k Maker’s Tool Works Kapton Bed Thermistor beta=3950 // // 1k ohm pullup tables - This is not normal, you would have to have changed out your 4.7k for 1k // (but gives greater accuracy and more stable PID) // 51 is 100k thermistor - EPCOS (1k pullup) // 52 is 200k thermistor - ATC Semitec 204GT-2 (1k pullup) // 55 is 100k thermistor - ATC Semitec 104GT-2 (Used in ParCan & JHead ) (1k pullup) // // 1047 is Pt1000 with 4k7 pullup // 1010 is Pt1000 with 1k pullup (non standard)

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// 147 is Pt100 with 4k7 pullup // 110 is Pt100 with 1k pullup (non standard) #define TEMP_SENSOR_0 71 #define TEMP_SENSOR_1 71 #define TEMP_SENSOR_2 0 #define TEMP_SENSOR_BED 0

CALIBRACION MECANICA Por ´ultimo hay que establecer los parámetros de calibración mecánica en las líneas 440-445. Primero hay que establecer los pasos por unidad de longitud. Como se vio en el capítulo 3, La cantidad de pasos por unidad de longitud para los tres ejes es de 325, mientras que para el extrusor es de 105. #define DEFAULT_AXIS_STEPS_PER_UNIT {325,325,325,760*1.1*0.125} // default steps per unit for Ultimaker #define DEFAULT_MAX_FEEDRATE {500, 500, 5, 25} // (mm/sec) #define DEFAULT_MAX_ACCELERATION {500,500,100,10000} // X, Y, Z , E maximum start speed for accelerated moves. E default values are good for Skeinforge 40+, for older versions raise them a lot.

La ´ultima tarea consiste en establecer los valores de máxima velocidad y aceleración que se disponen a continuación: #define DEFAULT_ACCELERATION 500 // X, Y, Z and E maxacceleration in mm/sˆ2 for printing moves. #define DEFAULT_RETRACT_ACCELERATION 500 // X, Y, Z and E maxacceleration in mm/sˆ2 for retracts.

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MOTIVACION En la actualidad, la fabricación aditiva está sufriendo una expansión en cuanto a sus diferentes aplicaciones. Está dejando de ser solo una herramienta de prototipo rápido para convertirse en un proceso de fabricación industrial. Según Jeremy Rifkin, nos encontramos en el albor de la Tercera Revolución Industrial. Afirma que en los próximos años las impresoras 3D van a formar un papel fundamental en el desarrollo de la industria occidental. Poco a poco aparecen nuevas aplicaciones en sectores como la automoción, la aeronáutica o la medicina. Pero... ¿Es capaz la tecnología actual de cubrir estas nuevas necesidades de una manera rentable y cumpliendo al tiempo los requisitos de calidad de la industria del momento? Analizando el estado actual del mercado de impresoras 3D vemos que los modelos existentes están orientados a servir como herramientas de prototipo rápido, pero no como maquinas capaces de generar productos de consumo finales. Esto se debe en parte a dos razones. En primer lugar, la calidad de los prototipos producidos no rinde las cualidades necesarias para ser comercializado o empleado en la industria. Esto se debe principalmente a las limitaciones en cuanto a errores dimensionales y geométricos y a la limitada repetibilidad, ya que muchos prototipos han de ser desechados al no alcanzar la calidad necesaria. Por otro lado, tanto los tiempos como los costes de fabricación son demasiado elevados como para alcanzar una producción económicamente rentable. Por todo ello, en la década en que nos encontramos deben desarrollarse nuevas alternativas y mejoras a los procesos actuales de fabricación aditiva. OBJETIVO Al ver tantas dificultades de conseguir materiales o piezas a la hora de realizar algún tipo de proyecto en la escuela, ya sea engranajes chasis o cualquier otra cosa, había que buscar entre mucha basura electrónica para poder encontrar la pieza indicada, solo muy pocos lo hacían, con mucha suerte diríamos…

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Se nos ocurrió la idea de realizar nuestra propia impresora 3d, para así poder CONTRUIR nuestras propias piezas, ya sea diseñándolas o también así descargándolas de la web e “imprimirla” directamente. Esto nos daría mucha facilidad no solo a nosotros sino también a nuestros compañeros ya que la mayoría debían realizar proyectos y no conseguían sus propias piezas, gracias a nuestra impresora 3d esas necesidades quedan en el pasado…

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