Estudio de tolerancias dimensionales en la fabricación 3D...
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1 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales Estudio de tolerancias dimensionales en la fabricación 3D mediante la tecnología aditiva por deposición de fundido (FDM) Autor: Carlos Murillo Jaenes Tutor: Andrés Jesús Martinez Donaire Dep. de Ingeniería Mecánica y Fabricación Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2017
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Trabajo Fin de Grado
Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales
Estudio de tolerancias dimensionales en la
fabricación 3D mediante la tecnología aditiva por
deposición de fundido (FDM)
Autor: Carlos Murillo Jaenes
Tutor: Andrés Jesús Martinez Donaire
Dep. de Ingeniería Mecánica y Fabricación
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
Sevilla, 2017
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1
Trabajo Fin de Grado
Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales
Estudio de tolerancias dimensionales en la
fabricación 3D mediante la tecnología aditiva
por deposición de fundido (FDM)
Autor:
Carlos Murillo Jaenes
Tutor:
Andrés Jesús Martínez Donaire
Profesor Contratado Doctor Interino
Dep. de Ingeniería Mecánica y Fabricación
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
Sevilla, 2017
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Trabajo Fin de Grado: Estudio de tolerancias dimensionales en la fabricación 3D mediante la
tecnología aditiva por deposición de fundido (FDM)
Autor: Carlos Murillo Jaenes
Tutor: Andrés Jesús Martinez Donaire
El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes
miembros:
Presidente:
Vocales:
Secretario:
Acuerdan otorgarle la calificación de:
Sevilla, 2017
El Secretario del Tribunal
4
5
A mi padre y a mi madre, por
sacrificarse siempre para que yo
pueda cumplir mis sueños.
A Núria, por todo el apoyo que
me brindo durante los días que
escribía este documento.
6
7
Resumen
Este proyecto trata sobre la fabricación aditiva, más concretamente sobre la fabricación
aditiva mediante impresoras 3D. Dentro de las tecnologías que comprenden la impresión
3D nos centraremos en la tecnología de impresión por deposición de fundido (FDM, en
inglés). Se realizará un estudio sobre la tolerancia dimensional en distintas piezas, cada
una fabricada con una configuración diferente.
Este proyecto recorrerá el proceso de diseño, fabricación y análisis de las distintas piezas,
así como de una pieza soporte. Esta pieza soporte tiene como objetivo demostrar los
razonamientos y resultados que se irán obteniendo, ya que se pretende que está encaje
con otra de las fabricadas con un ajuste determinado previamente. Este ajuste será
calculado con las conclusiones obtenidas en este proyecto.
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9
Abstract
This Project is about additive manufacturing, specifically additive manufacturing with
3D printers. Among the technologies that comprise 3D printing, we will focus on the
technology of the 3D printing by fused deposition modeling (FDM, in English). A study
of dimensional tolerances about different parts, each one printed with different
configurations.
This Project go through the process of design, printing and analysis of the different parts,
like a new support part. This support part serves to demonstrate the conclusions and
results of the dimensional tolerance study. It pretends to fit to another part with a
minimum clearance. This minimum clearance is calculated with the results of this Project.
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11
Índice
Resumen ........................................................................................................................... 7
Abstract ............................................................................................................................. 9
Índice .............................................................................................................................. 11
Índice de Tablas ............................................................................................................ 13
Índice de Figuras ........................................................................................................... 15
1 Contexto y objetivos del proyecto ........................................................................... 19
1.1 Descripción del trabajo ......................................................................................... 21
1.2 Estructura del documento ..................................................................................... 23
2 Introducción a la impresión 3D ............................................................................... 25
2.1 Historia ............................................................................................................. 25
2.2 Características de la impresión 3D .................................................................. 31
2.3 Tecnologías de impresión 3D .......................................................................... 31
2.4 Aplicaciones de interés en la impresión 3D ..................................................... 33
3 La tecnología fdm.................................................................................................... 38
3.1 Introducción a la impresión por deposición de fundido ................................... 38
3.2 Ventajas de la FDM ......................................................................................... 39
3.3 Máquinas de FDM ........................................................................................... 39
3.4 Mantenimiento ................................................................................................. 41
3.5 Material y sus propiedades............................................................................... 44
3.6 Funcionamiento................................................................................................ 47
3.7 Aplicaciones informáticas ................................................................................ 49
3.8 Protocolo de actuación para la puesta en marcha ............................................ 49
4 Diseño y fabricación de la pieza ............................................................................. 51
4.1 Diseño de la pieza ............................................................................................ 51
4.2 Fabricación de la pieza..................................................................................... 53
5 Análisis dimensional ............................................................................................... 61
5.1 Medición analógica con el pie de Rey ............................................................. 62
5.2 Medición digital con el escáner 3D ................................................................. 67
12
5.3 Conclusiones del análisis dimensional............................................................. 81
6 Evaluación de resultados ......................................................................................... 82
6.1 Diseño y fabricación de la pieza soporte .............................................................. 82
6.1.1 Objetivo .......................................................................................................... 82
6.1.2 Cálculos de juego ........................................................................................... 82
6.3 Diseño de la caja ................................................................................................... 83
6.4 Ensamblaje de la pieza soporte ............................................................................. 84
Procedemos a la fabricación del soporte. Los parámetros vienen prefijados por el
perfil que se va a emplear. Con una posición tal como se puede apreciar en la figura.
..................................................................................................................................... 84
7 Conclusiones ........................................................................................................... 86
7.1 Trabajos futuros ............................................................................................... 86
7.2 Conclusiones .................................................................................................... 86
Anexo A: Programas de configuración para FDM ......................................................... 88
Anexo 2: Informes de Geomagic Control 2015............................................................ 101
8 Bibliografía............................................................................................................ 103
13
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Tecnologías de impresión 3D. .......................................................................... 33
Tabla 2. Propiedades mecánicas. .................................................................................... 45
Tabla 3. Diferencias entre el ABS y el PLA. [24] .......................................................... 46
Tabla 4. Parámetros comunes ......................................................................................... 55
Tabla 5. Parámetros particulares de cada perfil .............................................................. 56
Tabla 6. Consumo de material y tiempo de fabricación de los diferentes perfiles ......... 59
Tabla 7. Medidas de calidad estándar ............................................................................. 62
Tabla 8. Medidas de alta calidad .................................................................................... 63
Tabla 9. Medidas del perfil rápido.................................................................................. 64
Tabla 10. Resumen de medidas ...................................................................................... 65
Tabla 11. Desviaciones ................................................................................................... 66
14
15
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Impresora 3D. [1] ............................................................................................ 19
Figura 2. En la imagen los creadores de Makerbot junto a los primeros prototipos. [2] 20
Figura 3. Impresora 3D BCN3D+. [5] ............................................................................ 22
Figura 4. Escáner Geomagic Capture 3D y software de análisis Geomagic Control. [6]
........................................................................................................................................ 23
Figura 5. Charles Hull. ................................................................................................... 25
Figura 6. Riñón fabricado por impresión 3D. [8] ........................................................... 26
Figura 7. Logo de RepRap. ............................................................................................. 27
Figura 8. Modelo de vehículo fabricado por impresión 3D. .......................................... 27
Figura 9. Prótesis fabricada mediante SLS. .................................................................... 28
Figura 10. Ejemplo de una Prusa i3 una de las impresoras DIY más vendidas. ............ 29
Figura 11. Vasos sanguíneos. ......................................................................................... 29
Figura 12. Dentadura fabricada por impresión 3D. ........................................................ 30
Figura 13. Modelo promocional usado en arquitectura naval. ....................................... 34
Figura 14. Ejemplo de material pedagógico. .................................................................. 34
Figura 15. Prótesis. ......................................................................................................... 34
Figura 16. Equipamiento químico complejo fabricado en impresión 3D. ...................... 35
Figura 17. Estructura molecular en 3D. .......................................................................... 35
Figura 18. Optimización topológica de piezas. .............................................................. 35
Figura 19. Ejemplo de optimización del montaje. .......................................................... 35
Figura 20. Ejemplo de producción de series. .................................................................. 36
Figura 21. Ejemplos de componentes fabricados en impresión 3D. .............................. 37
Figura 22. Modelo de demostración. .............................................................................. 37
Figura 23. Logo de la empresa de la cual S. Scott Crump fue fundador. [13] ............... 38
Figura 24. S. Scott Crump. [12]...................................................................................... 38
Figura 25. Pedal de freno en Cura. ................................................................................. 40
Figura 26. Modelo de una máquina de impresión FDM. [14] ........................................ 40
Figura 27. Esquema de los ejes de la impresora BCN3D+. [17] .................................... 40
Figura 28. Limpieza de la base. En este caso, rasgándola con una espátula. [17] ......... 41
Figura 29. Comprobación de la tensión de las correas. [17] .......................................... 42
Figura 30. Desatascar el extrusor en una Prusa. ............................................................. 43
Figura 31. Unidad estructural del polímero PLA. [18] ................................................... 44
16
Figura 32. Componente del ABS. [20] ........................................................................... 45
Figura 33. Esquema de la deformación del filamento. [22] ........................................... 47
Figura 34. Esquema de la deposición de un filamento fundido en función de la sección
del extrusor y la altura de capa. [23] .............................................................................. 48
Figura 35. Uso de las impresoras por fabricante. ........................................................... 48
Figura 36. Vista isométrica de la pieza........................................................................... 52
Figura 37. Dimensiones de la pieza. ............................................................................... 53
Figura 38. Entorno de Cura. ........................................................................................... 57
Figura 39. Parámetros básicos. ....................................................................................... 57
Figura 40. Parámetros avanzados. .................................................................................. 57
Figura 41. Detalle del posicionamiento. ......................................................................... 58
Figura 42. Escáner junto a la mesa de escaneo............................................................... 67
Figura 43. Vista de un escaneo. ...................................................................................... 68
Figura 44. Vista superior e inferior del escaneo. ............................................................ 69
Figura 45. Pieza cubierta con el polvo. .......................................................................... 70
Figura 46. Interfaz de Geomagic Control 2015. ............................................................. 70
Figura 47. Fusionado entre el CAD y la pieza escaneada. ............................................. 71
Figura 48. Desviaciones 3D de la pieza con la configuración de calidad estándar. ....... 72
Figura 49. Vista de algunas medidas de la pieza en calidad estándar. ........................... 73
Figura 50. Vista del corte OX para la pieza de calidad estándar. ................................... 74
Figura 51. Vista de las desviaciones del corte OX de la pieza en calidad estándar. ...... 74
Figura 52. Vista del corte a Z=15 mm de la pieza de calidad estándar. ......................... 75
Figura 53. Vista de las desviaciones del corte a Z=15 mm de la pieza en calidad
estándar. .......................................................................................................................... 75
Figura 54. Vista en 2D del corte a Z=15 mm de la pieza en calidad estándar. .............. 76
Figura 55. Vista de las desviaciones 3D de la pieza de alta calidad. .............................. 76
Figura 56. Vista de algunas medidas en la pieza de alta calidad. ................................... 77
Figura 57. Vista del corte OX para la pieza de alta calidad. .......................................... 78
Figura 58. Vista del corte a Z=15 mm de la pieza de alta calidad.................................. 78
Figura 59. Vista de desviaciones 3D en la pieza del perfil rápido. ................................ 79
Figura 60. Vista del corte a Z=15 mm de la pieza del perfil rápido. .............................. 80
Figura 61. Vista del corte OY de la pieza del perfil rápido. ........................................... 80
Figura 62. Diseño de la pieza soporte en Catia. ............................................................. 84
Figura 63. Fabricación de la pieza soporte. .................................................................... 84
Figura 64. Pieza encajada perfectamente en el soporte. ................................................. 85
Figura 65. Pantalla inicial de configuración de nueva máquina ..................................... 88
17
Figura 66. Pantalla de selección de la máquina .............................................................. 88
Figura 67. Menú de configuración de impresora personalizada ..................................... 89
Figura 68. Interfaz del Cura ............................................................................................ 89
Figura 69. Ejemplo de rotación de la pieza .................................................................... 90
Figura 70. Visualización transparente ........................................................................... 91
Figura 71. Visualización con rayos-X ........................................................................... 91
Figura 72. Vista de la herramienta Layers ...................................................................... 92
Figura 73. Introducción de los valores ........................................................................... 93
Figura 74. Ejemplo donde podemos observar las diferentes densidades del relleno ..... 94
Figura 75. Apoyo que se encuentra tocando con la cama ............................................. 95
Figura 76. Apoyo que se encuentra tocando cualquier sitio .......................................... 95
Figura 77. Vista de la pieza sin plataforma de adhesión ................................................ 95
Figura 79. Vista con el borrador (Raft) .......................................................................... 96
Figura 80. Interfaz básica del Netfabb............................................................................ 97
Figura 81. Mallado de una pieza en el Netfabb .............................................................. 98
Figura 82. Reparación automática .................................................................................. 99
18
19
1 CONTEXTO Y OBJETIVOS DEL PROYECTO
La Impresión 3D o fabricación aditiva es una tecnología consistente en la fabricación por
adición de un objeto tridimensional. Se basa en la superposición de capas sucesivas de
material hasta generar la geometría completa de la pieza.
Figura 1. Impresora 3D. [1]
Esta tecnología comenzó en 1984, cuando Charles Hull inventa el método de la
estereolitografía (SLA), proceso de impresión orientado a maquetas para la prueba de
prototipos antes de su fabricación en cadena. Ese mismo año crea 3DSystems, empresa
líder en el mercado que permitió la utilización a nivel industrial de este proceso.
En 1989 y 1990, S. Scott Crump, fundador de Stratasys, desarrollo la técnica del Fused
Deposition Modeling (FDM), que consistía en la creación de objetos tridimensionales
mediante la superposición de capas de material fundido que posteriormente solidificaba
con la forma deseada. Esta tecnología permitió una gran difusión de la impresión 3D
abaratando costes y permitiendo a pequeños usuarios e industria tener acceso a esa
tecnología. [2]
20
Figura 2. En la imagen los creadores de Makerbot junto a los primeros prototipos. [2]
En la industria, aún está integrándose, debido a los problemas que presenta. Algunos de
los problemas que presenta, como el fallo en la unión de capas de los materiales impresos,
así como la falta de máquinas capaces de imprimir piezas de calidad para uso final y los
problemas de escalabilidad, la han limitado hasta ahora como una herramienta para
diseñar prototipos.
Con respecto a la capacidad de imprimir piezas de calidad para un uso final, existe varios
tipos de problemas. Dependiendo de la tecnología, estos varían desde una mala calidad
superficial, baja resistencia a la rotura o una mala precisión en las piezas finales.
La calidad superficial puede mejorarse con un post-tratamiento superficial. La resistencia
a la rotura se intenta mejorar mediante la mejora en la tecnología para asegurar una mejor
cohesión entre capas, y otorgarle una mayor dureza estructural, así como el desarrollo de
nuevos materiales para la impresión 3D.
El problema de la precisión que se puede conseguir en la impresión 3D varia con la
tecnología usada. Mientras que en las tecnologías más caras se consiguen buenas
tolerancias en las piezas fabricadas, en las tecnologías más asequibles es aún un tema
pendiente. Es por eso que aún hay muy pocos estudios que relacionen los parámetros con
21
los resultados que se pueden conseguir, ya que de momento estas tecnologías, como el
FDM, han estado alejadas de esos objetivos.
La proliferación de estas tecnologías en la industria sin embargo hace que este tipo de
estudio sea aún más necesario hoy en día. Algunos fabricantes como Stratasys [3] y
universidades [4] han sacado estudios basados en pruebas experimentales para algún
modelo de maquina concreto.
El valor de realizar este estudio sobre una máquina basada en un código abierto, como es
RepRap, que es altamente utilizado, y que es fácilmente aplicable a la mayoría de sistemas
de impresión de FDM que estén basados en 4 ejes, lo hace útil para una aplicación
inmediata para cualquier pieza que vaya a ser fabricada mediante esta tecnología y de la
que se quiera conocer las dimensiones que tendrá una vez fabricada.
1.1 Descripción del trabajo
El objetivo de este trabajo es la caracterización de las tolerancias dimensionales en una
máquina de FDM y en distintos perfiles de impresión. Para ello, se pensó en imprimir
piezas en la máquina y realizarle dos tipos de mediciones para obtener sus dimensiones y
así poder realizar el estudio dimensional.
Se pretende no solo conocer las dimensiones finales que tendrá una pieza fabricada en
FDM según el perfil empleado, si no conocer que comportamiento tiene en general esta
tecnología a la hora de depositar el filamento, de cómo influye la altura de capa y la
velocidad de impresión sobre el resultado y predecir la frecuencia de la aparición de
imperfecciones en la pieza.
Con respecto a la forma de imprimir, se han propuesto tres perfiles distintos: rápido,
calidad estándar y alta calidad. Estos perfiles responden a una clasificación de tres
necesidades comunes a la hora de imprimir piezas, y que vienen de la experiencia en el
sector y del sentido común. Para los distintos perfiles solo vamos a cambiar las
velocidades y la altura de capa, siendo estos parámetros los que más afectan a la calidad
y tiempo de la impresión.
Para la fabricación de la pieza se usó la maquina BCN3D +, proporcionada por el
Departamento de Ingeniería Mecánica y Fabricación de la Escuela Técnica Superior de
22
Ingeniería de la Universidad de Sevilla. Esta es una máquina de FDM y 4 ejes con un
Arduino como controladora. El material utilizado será PLA.
Figura 3. Impresora 3D BCN3D+. [5]
Como ya habíamos comentado, para el análisis dimensional vamos a utilizar dos
instrumentos de medida, uno analógico y otro digital. El analógico consistirá en un pie de
rey, y el digital un escáner 3D de última generación con un análisis por software para las
desviaciones.
El escáner 3D es una herramienta en alza para la medición de piezas. Esto es así porque
cada vez son más precisos y cómodos de utilizar, y la capacidad de procesar esa
información por ordenador y en 3D lo hacen muy útil.
23
Figura 4. Escáner Geomagic Capture 3D y software de análisis Geomagic Control. [6]
1.2 Estructura del documento Este documento presenta 6 capítulos donde será expuesto el desarrollo teórico y práctico
de este Proyecto Fin de Grado. Los primeros capítulos irán destinados a la exposición
teórica de las diferentes tecnologías de impresión 3D, con especial desarrollo de la
tecnología de deposición por fundido (FDM). Además de un breve resumen del desarrollo
histórico, se comentará brevemente
• Capítulo 1. Contexto y objetivos del proyecto.
o En este capítulo se pretende dar a conocer el contexto en donde el proyecto
nace, así como los objetivos que se marcan a conseguir.
• Capítulo 2. Introducción a la impresión 3D.
o Se presenta un breve recorrido por la historia, las diferentes tecnologías
que componen la impresión 3D, así como algunas de sus características
más importantes.
24
• Capítulo 3. La tecnología FDM.
o En este capítulo profundizaremos en la tecnología de FDM, la cual es la
usada en este proyecto, y en la que mostraremos tanto sus características
físicas como técnicas, además de sus usos en la industria actual.
• Capítulo 4. Diseño y fabricación de la pieza.
o Entraremos en la parte práctica con una presentación del proceso de diseño
y fabricación de las piezas, justificándolo con un razonamiento de todo el
proceso.
• Capítulo 5. Análisis dimensional.
o En este capítulo tomaremos medidas con los instrumentos y una vez
obtenidas las magnitudes dimensionales, procederemos a comentarlas y
analizarlas.
• Capítulo 6. Evaluación de resultados.
o Una vez conocidas y analizadas las medidas, podemos proceder a diseñar
una pieza que se ajuste mediante un juego a una de las fabricadas,
utilizando para ello las conclusiones obtenidas anteriormente.
• Capítulo 7. Conclusiones.
o Este capítulo contendrá una reflexión final, así como las posibilidades de
mejora del estudio.
• Anexo A.
o En el anexo A vamos a presentar un manual de los dos programas usados
para configurar la impresión en la máquina de FDM, esto son Cura y
Netfabb.
• Anexo B.
o Incluirá los informes generados por el programa Geomagic Control 2015
de las piezas estudiadas.
25
2 INTRODUCCIÓN A LA IMPRESIÓN 3D
2.1 Historia
Todo empieza en el 1976, dónde se inventó la impresora de proyección de tinta. Más
tarde, en 1984, los avances en el concepto de la inyección de tinta, permitieron la
trasformación del concepto de inyección de tinta a una impresión con materiales
A lo largo de estas últimas décadas, gracias al desarrollo de varias industrias se ha
producido una gran variedad de aplicaciones de la tecnología de impresión 3D.
A continuación, veremos una breve historia de los principales hitos que han marcado en
el camino: [7]
CHARLES HULL
El co-fundador de 3D Systems, Charles Hull, inventó la estereolitografia. Es decir, una
forma de impresión que nos permite crear un objeto en 3D a partir de datos digitales.
Más tarde, se utilizó esta tecnología para crear un modelo 3D mediante una imagen.
También permitió que los usuarios pudiesen probar un diseño antes de la inversión de la
fabricación del modelo definitivo.
Figura 5. Charles Hull.
26
1992 - FABRICACIÓN DE PROTOTIPOS CAPA POR CAPA
En la empresa 3D Systems fue desarrollada la primera máquina de impresión 3D del tipo
SLA, también llamada del tipo estereolitográfico.
Si incidimos en el funcionamiento, este consiste en que un láser ultraviolado va
solidificando un fotopolímero, un líquido con la viscosidad y un color parecido al de la
miel que va fabricando partes tridimensionales capa por capa.
1999 - ÓRGANOS DE INGENIERÍA TRAEN NUEVOS AVANCES EN MEDICINA
El Instituto de Wake Forest de Medicina Regenerativa utilizo una tecnología que abrió
las puertas al desarrollo de otras estrategias para los órganos de la ingeniería.
Este formó el primer órgano en el laboratorio que se implementó más tarde en humanos.
Concretamente, fue un aumento de vejiga urinaria usando recubrimiento sintético con sus
propias células. Además, debido a que se fabricaban a partir de células propias del
paciente, el riesgo de padecer un rechazo era prácticamente nulo.
2002 - UN RIÑÓN 3D EN FUNCIONAMIENTO
Los científicos diseñaron un riñón en miniatura completamente funcional que tenía la
capacidad de filtrar sangre y producir orina
diluida en un animal. En el Instituto de Wake
Forest de Medicina Regenerativa se llevó a
cabo la investigación con el objetivo de
imprimir los órganos y los tejidos mediante una
tecnología de impresión 3D.
Figura 6. Riñón fabricado por impresión 3D.
[8]
27
2005 - OPEN-SOURCE COLABORA CON LA IMPRESIÓN 3D
Todo empieza en la Universidad de Bath dónde el Dr.
Adrián Bowyer funda RepRap, una iniciativa de código
abierto para construir una impresora 3D que tiene la
capacidad de imprimir la mayoría de sus propios
componentes.
El objetivo de este proyecto era democratizar la fabricación
de unidades de distribución de bajo coste RepRap a las
personas de todo el mundo y así poder crear productos a
diario por su cuenta.
2006 - EL SLS Y LA PERSONALIZACIÓN EN LA FABRICACIÓN EN MASA
En este año se construyó la primera máquina del tipo SLS (Sintetización de láser
selectivo) viable.
Básicamente, este tipo de máquina utiliza un láser para fundir materiales en el proceso de
impresión 3D. Gracias a ese descubrimiento se abrieron las puertas a la personalización
masiva, a la demanda de fabricación de piezas industriales y más tarde, a las prótesis.
En ese mismo año también se creó una máquina con la capacidad de imprimir múltiples
materiales, incluyendo polímeros y elastómeros. Esta permite que una parte sea fabricada
con una gran variedad de densidades y propiedades de material. Todo eso fue posible
gracias a Object, un proveedor de materiales e impresoras 3D.
Figura 7. Logo de RepRap.
Figura 8. Modelo de vehículo fabricado por
impresión 3D.
28
2008 - LA PRIMERA IMPRESORA CON CAPACIDAD DE AUTO REPLICA
El proyecto RepRap, tras su lanzamiento en 2005, saca a la luz la primera impresora 3D,
Darwin, la cual es capaz de imprimir la mayoría de sus propios componentes permitiendo
a los usuarios que ya tienen una, fabricar más impresoras para sus amigos o incluso
reparar componentes de la suya.
2008 - LANZAN SERVICIOS DE CO-CREACIÓN
La empresa Shapeways lanzó una página web beta privada en la que ofreció un nuevo
servicio de co-creación entre la comunidad, permitiendo así que artistas, arquitectos y
diseñadores presentaran sus diseños en 3D como objetos físicos y baratos.
2008 - GRAN AVANCE EN LA PRÓTESIS
En este año se consiguió que una persona caminara en una pierna
de prótesis impresa en 3D. Esta estaba formada por todas las
partes: rodilla, pie etc.
Además, se imprimió en una compleja estructura sin ningún tipo
de montaje. Estos avances permitieron a los fabricantes de
prótesis que realizaran desarrollos a medida en el sector de las
prótesis.
2009 - KITS DE IMPRESORAS 3D DIY ENTRAN EN EL
MERCADO
Mediante las industrias MakorBot, una compañía de hardware de código abierto para las
impresoras 3D, se empezó la venta de kits de montaje la cual permitió a los compradores
fabricar sus propias impresoras 3D y sus productos.
Figura 9. Prótesis
fabricada mediante
SLS.
29
Figura 10. Ejemplo de una Prusa i3 una de las impresoras DIY más vendidas.
2009 - DE CELULAS A VASOS SANGUÍNEOS
Aparece la bio-impresión mediante la tecnología del Dr. Gabor Forgacs, que utiliza una
bio-impresora 3D para imprimir el primer vaso sanguíneo.
Figura 11. Vasos sanguíneos.
30
2011 - PRIMER AVIÓN IMPRESO EN 3D
Se diseño el primer avión impreso en 3D gracias a los ingenieros de la Universidad de
Southampton. Este se construyó en siete días y usando la impresión 3D se pudo fabricar
sus alas con una forma elíptica, una característica que ayudó a mejorar la eficiencia
aerodinámica y redujo al mínimo la resistencia inducida.
2011 - PRIMER COCHE IMPRESO EN 3D
Se imprimió un prototipo de coche que trataba de ser lo más eficiente posible con el medio
ambiente. Este era eficiente en cuanto a su consumo de gasolina y también en cuanto a su
coste de producción.
2011 - IMPRESIÓN 3D EN ORO Y PLATA
La empresa Materialise fue la primera en ofrecer un servicio de impresión 3D de oro de
14 Kilates y plata de ley. Esta opción permitió abrir un nuevo mercado a los joyeros con
diseños más económicos utilizando este material.
2012 - PRIMER IMPLANTE DE PRÓTESIS DE MANDÍBULA IMPRESA EN 3D
La empresa LaverWise permitió imprimir prótesis de mandíbulas personalizadas.
Además, consiguió implantar una mandíbula a una mujer de 83 años que sufría una
infección de hueso crónica.
En la actualidad se está estudiando más
profundamente esta tecnología con el objetivo de
poder promover el crecimiento de nuevo tejido óseo.
Figura 12. Dentadura fabricada por
impresión 3D.
31
2.2 Características de la impresión 3D
Como ya se comentó anteriormente, la impresión 3D o ALM es una tecnología de
fabricación por adición de material donde un objeto 3D es creado a partir de la adición de
muchas capas sucesivas de material.
Esto presenta unas ventajas frente a la fabricación convencional que son: la posibilidad
de realizar diseños más complejos, la posibilidad de hacer cambios en los diseños sin
encarecer la fabricación, poder fabricar un prototipo rápidamente y a bajo coste.
Estas podrían resumirse en:
✓ Reducción del tiempo de fabricación.
✓ Menor coste económico.
✓ Diseños complejos.
✓ Buena precisión.
✓ Posibilidad de hacer pequeñas tiradas.
2.3 Tecnologías de impresión 3D
Existen muchas tecnologías de impresión 3D. Algunas de ellas solo imprimen materiales
metálicos, otras en cambio solo plásticos y otras son capaces de trabajar con los dos
materiales.
Algunas requieren de máquinas enormes y pesadas, como el SLS y otras en cambio,
pueden usarse en una oficina como el FDM.
Las máquinas de sintetizado laser dan unas piezas de una altísima calidad. Piezas finales
usadas en prótesis y prototipos de alta tecnología. Por el contrario, cada máquina cuesta
varios cientos de miles de euros. Otras tecnologías como el FDM te permiten tener una
maquina desde un rango de 400-1500 euros, lo que la hace mucho más asequible.
En la siguiente tabla vamos a mencionar las tecnologías de impresión 3D más importantes
y vamos a destacar las características que diferencian unas de otras.
32
Tecnología Usos Materiales
FDM
-Piezas finales, prototipos,
utillaje, moldes.
PLA, ABS, FILAFLEX,
POLIAMIDAS, y
muchos más.
-Ventajas: Menor tiempo,
menor coste, menos materia
prima.
-Desventajas: Actualmente no
presenta la calidad suficiente
para imprimir piezas resistentes
o con la calidad suficiente para
reemplazar la fabricación
convencional.
POLY-JET /
MULTI-JET
RESINA (A COLOR)
-Menor tiempo, menor coste,
menos materia prima.
Composite cerámico
(caro).
-Ventajas: No representa
ventajas respecto a la
anterior, ya que requiere más
tiempo, dinero y material. La
única ventaja es que
imprime a color.
-Desventajas: Es más cara
que el FDM y su única
ventaja es imprimir a color.
SLA
(ESTEREOLITOGRAFÍA)
-Prototipos de alta calidad.
Fotopolímeros.
-Ventajas: Piezas con muy
buena calidad, más definición.
-Desventajas: Más caro, más
tamaño, más tiempo y más
material.
33
SLS
(SINTETIZADO
SELECTIVO LÁSER)
-Para propiedades
mecánicas, alta precisión.
Metales y
termoplásticos,
además de materiales
compuestos (fibra de
vidrio).
-Ventajas: Mayor
definición, más calidad.
-Desventajas: Más tiempo, más
caro, mucho material. Por sus
características está dejando de
ser usada.
SLM
(SINTETIZADO
SELECTIVO LÁSER)
-Para propiedades mecánicas,
alta precisión.
Solo metales (Aluminio,
acero, titanio…).
-Ventajas: Mayor precisión y
definición que la anterior.
Tabla 1. Tecnologías de impresión 3D.
2.4 Aplicaciones de interés en la impresión 3D
En el ámbito industrial, el servicio de impresión 3D se asocia con muchos pioneros para
desafiar los procesos de desarrollo de productos y los hábitos de producción. [9]
Las aplicaciones de impresión 3D cubren diversos sectores. Podemos encontrarnos ese
tipo de tecnología tanto en la educación o en la industria como en toda la gestión de piezas
de repuesto. [10]
Unos ejemplos serían los siguientes:
• En el ámbito del sector marino. Se usa para fabricar prototipos, piezas de
repuesto e incluso en arquitectura naval, para exhibir modelos promocionales.
34
• En el sector de la medicina. Permite crear herramientas personalizadas según las
necesidades de los pacientes como por ejemplo las prótesis. Otro uso es la
fabricación de instrumental médico material pedagógico para preparar una cirugía
mediante el uso de impresos en 3D.
• En industria química. Es útil para la fabricación de estructuras moleculares en
3D y equipamientos químicos complejos que mediante la impresión 3D se pueden
obtener más fácilmente.
Figura 13. Modelo promocional usado en
arquitectura naval.
Figura 14. Prótesis. Figura 15. Ejemplo de material
pedagógico.
35
• En el sector de la mecánica. Es interesante para la optimización del montaje y de
la creación de piezas mecánicas complejas consiguiendo así optimizar sus
estructuras.
• En aeronáutica. Dentro del sector aeroespacial se ha llevado la impresión 3D más
allá del ámbito prototipado para empezar a usarla en aplicaciones más avanzadas
de herramientas y producción.
Hoy en día vemos que los materiales y procesos impresos en 3D son algo habitual
en los aviones y las naves espaciales, ya que consolidan la tecnología como un
pilar de la ingeniería.
Figura 16. Estructura
molecular en 3D.
Figura 17. Equipamiento químico
complejo fabricado en impresión
3D.
Figura 18. Ejemplo de optimización del
montaje.
Figura 19. Optimización topológica de
piezas.
36
La evolución y la mejora constante de los
vehículos exige que las partes sean cada
vez más eficientes y exactas, sobre todo a
medida que el tamaño de los mismos se
hace más pequeño. Además, hay que
mencionar que la impresión 3D nos permite
la creación de formas complejas y es una
solución rentable que economiza el tiempo
de producción.
• En el ámbito de la tecnología punta. Nos encontramos en que la impresión 3D
nos permite la creación de partes en la etapa de investigación y así poder validar
un diseño mecánico.
También es interesante en la fabricación de partes complejas esenciales para el
correcto funcionamiento de los dispositivos. Otro uso seria en la impresión de
accesorios de dispositivos de alta tecnología.
Figura 20. Ejemplo de producción
de series.
37
• En el sector de la automoción. La impresión 3D permite a los diseñadores liberar
su creatividad ya que pueden reproducir prácticamente cualquier parte siguiendo
unas guías de diseño. También es útil para la creación de modelos de demostración
para vender sus productos.
Figura 22. Modelo de
demostración.
Figura 21. Ejemplos de
componentes fabricados en
impresión 3D.
38
3 LA TECNOLOGÍA FDM
3.1 Introducción a la impresión por deposición de fundido
El fundador de Stratasys, S. Scott Crump, fue el que inventó la tecnología FDM hace ya
más de 20 años. Esta empresa ha continuado liderando la revolución de las impresoras
3D desde entonces, mediante el desarrollo de una gama de sistemas atractivos para los
grandes ingenieros, educadores y grandes profesionales [11].
Respecto a la tecnología FDM se utiliza con termoplásticos de producción para fabricar
piezas resistentes, duraderas y dimensionalmente estables con mayor precisión y
repetibilidad que cualquier otra tecnología de impresión 3D. Este termoplástico se
encuentra en estado sólido y en forma de filamentos los cuales están almacenados en
forma de rollo.
Su método se basa en depositar material fundido en sucesivas capas hasta la realización
de la pieza final.
Este tipo de tecnología se sigue usando hoy en día ya que es un tipo de impresión muy
barata y eso hace que sea accesible de implantar en muchos laboratorios o industrias.
Figura 23. S. Scott Crump. [12]
Figura 24. Logo de la empresa de la cual S. Scott
Crump fue fundador. [13]
39
3.2 Ventajas de la FDM
Las ventajas de la tecnología FDM son las siguientes: [11]
• La tecnología es limpia, fácil de usar y adecuada para las oficinas.
• Los termoplásticos de producción compatibles son estables mecánica y
medioambientalmente.
• Las geometrías y las cavidades complejas que podrían ser problemáticas al usar
otros sistemas se convierten en tarea fácil gracias a la tecnología FDM.
• Gracias a su tamaño se puede usar en cualquier sitio.
• La puede usar cualquier persona sin conocimientos muy amplios ya que su
funcionamiento no es difícil.
• No es necesario usar protección como por ejemplo gafas, guantes, etc.
• En caso de avería se puede arreglar de una forma fácil.
3.3 Máquinas de FDM
En este capítulo veremos la dinámica de una máquina de impresión por deposición de
fundido.
La máquina puede contener más de un extrusor lo cual permite que imprima en colores
distintos e incluso usar materiales diferentes.
Un ejemplo podría ser la fabricación de una pieza para el coche como por ejemplo un
pedal de freno. En este caso es necesario fabricar un soporte para no construir capas en el
aire y más tarde, retirarlo de la pieza.
40
Hay que mencionar que el material usado para la fabricación del soporte no es necesario
que sea el mismo material que el de la
pieza. En el caso que sea el mismo,
cuando lo retiremos, nos encontraremos
con una zona rugosa. En cambio, si lo
realizamos con otro tipo de material la
extracción nos resultaría más fácil.
Como hemos mencionado anteriormente, el material que usamos en este tipo de
tecnología es termoplástico y lo encontramos e n estado sólido en forma de filamentos.
Se coloca un filamento en el extrusor y
se va tirando de él fundiéndolo y
depositándose de una forma precisa en
hilos muy finos que a medida que van
pasando las capas, se van solidificando
como consecuencia de la diferencia de
temperatura hasta obtener la pieza
deseada. Como el material está fundido
no tiene problemas en adherirse a las
últimas capas o a la mesa de trabajo.
Figura 27. Esquema de los ejes de la impresora BCN3D+. [17]
Figura 26. Modelo de una máquina de impresión
FDM. [14]
Figura 25. Pedal de freno en Cura.
41
3.4 Mantenimiento
En general, las impresoras 3D no requieren mucho mantenimiento, pero si les damos un
buen uso y manipulación podremos conseguir que tengan un mayor tiempo de
funcionamiento en condiciones óptimas y que nos den muy buena calidad. [15]
A continuación, veremos algunas pautas a seguir importantes para mantener en perfecto
estado la impresora 3D durante más tiempo. Estas pautas son las siguientes: [16]
• Limpieza de la base de impresión o de la cama cristal. Según algunos fabricantes
es aconsejable dejar el adhesivo que hemos usado para imprimir en la base para evitar
que se produzcan movimientos en la pieza. En verdad, si deseamos que el acabado de
la pieza sea perfecto y no tenga restos de adhesivos hay que limpiar la base o cama de
impresión con mucha frecuencia.
Para ello es aconsejable usar agua, jabón y un paño húmedo. Después tenemos que
secarlo bien y ya volverá a estar listo para imprimir.
• Revisión de las tuercas y tornillería. Antes de manipular la impresora es
conveniente desconectarla de la corriente para poder mover los ejes sin que causemos
daños en los motores o la electrónica.
Las vibraciones que se producen al imprimir pueden provocar que se aflojen las
tuercas y los tornillos de la impresora. Por eso, es aconsejable comprobar que toda la
tornillería esté bien apretada para que el funcionamiento de la impresora sea correcto.
• Limpieza de los ventiladores y la electrónica. El polvo suele acumularse en las
aspas de los ventiladores y la electrónica. Esto puede provocar una mala refrigeración
o que se produzcan fallos en la electrónica.
Figura 28. Limpieza de la base. En este caso, rasgándola con una espátula. [17]
42
• Comprobación de la tensión de las correas. Es importante ajustar las correas cada
cierto tiempo ya que el uso provoca movimientos de la base que no son adecuados y
al imprimirse la pieza no saldría correctamente.
• Limpieza de varillas lisas y roscadas. El hecho de quitar la grasa de las varillas lisas
y roscadas de los ejes y lubricarlas permite un movimiento más suave y continuo de
los ejes y la base al desplazarse.
• Limpieza del Hot-end. Este proceso es particularmente peligroso si no se siguen los
pasos indicados.
El Hotend es la pieza que se calienta y por la que sale el filamento plástico caliente.
A veces se pueden producir atascos en el interior de la pieza que provocan que el
plástico no pueda fluir a través de ella y que la impresora no funcione de una forma
correcta.
En el caso que nos pasara, para limpiarlo, lo primero que hacemos es quitar la pieza
protectora que rodea la punta del Hotend. Una vez quitada tenemos que volver a
conectar la alimentación de la impresora.
Seguidamente, hay que realizar un homing desde la LCD (Menú Control Move
axis Autohome).
Una vez hecho esto, tenemos que mover el eje Z, es decir, subirlo a unos 120 mm
aproximadamente. Este paso nos permitirá acceder más fácilmente a la boquilla del
Hotend.
Para ello, vamos al menú para mover el eje (Menú Prepare Move Axis
Move 1 mm Move Z) y lo giramos hasta que en la pantalla salga el punto 120 mm.
Cuando el eje se haya elevado y los motores ya estén preparados tendremos que
extraer el filamento extrusor.
Figura 29. Comprobación de la
tensión de las correas. [17]
43
Una vez extraído el filamento, introduce la punta de la aguja de acupuntura por la boquilla
del hot-end (por la parte inferior) teniendo cuidado de no acercar los dedos al hot-end.
Sube y baja la aguja por el interior de éste durante unos segundos. Este movimiento
desplazará el plástico que pueda haber dentro del hot-end, desatascándolo en caso de que
se hubiese producido un atasco. Una vez realizado este paso, lo siguiente será limpiar
externamente la punta del hot-end. Teniendo mucho cuidado de no dañar los cables del
cartucho cerámico y del termistor pasaremos el cepillo de púas por la parte exterior de la
punta del hot-end.
Figura 30. Desatascar el extrusor en una Prusa.
Una vez realizado este paso, dejaremos que el hot-end se enfríe por completo antes de
continuar. Este paso es crucial para no sufrir quemaduras más adelante. Cuando la
temperatura del hot-end esté por debajo de los 40º vuelve a colocar y atornillar la pieza
de protección del hot-end.
• Nivelación de la base. Este mantenimiento es de los más importantes, ya que de ello
depende que la pieza de imprima de una forma correcta y no se despegue por las
esquinas si el objeto ocupa la mayoría de la base de impresión.
44
3.5 Material y sus propiedades
En el mercado podemos encontrarnos con diferentes tipos de materiales para la impresión
3D, aproximadamente más de sesenta, que, gracias a sus características y a sus
propiedades fisicoquímicas, permiten crear prototipos perfectos, de gran precisión y
aplicables en muchos sectores industriales. [18]
En este trabajo concretamente hemos utilizado el PLA, un ácido poliláctico biodegradable
que deriva del maíz, de la remolacha, del trigo y de otros productos que contengan
almidón.
Profundizando más en este tipo de material podemos decir que el PLA, también llamado
ácido poliláctico o poliácido láctico, es un polímero constituido por moléculas de ácido
láctico.
Este es resistente a la humedad y a la grasa. Además, tiene unas características similares
al PET en cuanto al sabor y olor del plástico.
Este último es usado como envase para algunos productos no alimenticios y
para bebidas no alcohólicas. [19]
Figura 31. Unidad estructural del
polímero PLA. [18]
45
Respecto a sus propiedades físicas y mecánicas el PLA es más hidrofílico que el
polietileno. Eso es debido a que su densidad es más baja. A continuación, veremos
algunas de estas propiedades.
Tabla 2. Propiedades mecánicas.
Si comparamos el PLA con otros materiales vemos que este no deriva del petróleo. Por
tanto, no suelta gases nocivos. A diferencia de este, el ABS desprende gases que en el
caso que lo hiciera en elevadas concentraciones estos podrían ser nocivos.
Densidad: 1,25 g/cm3
Elongación a la rotura: 6%
Resistencia a la flexión: 80 MPa
Comienzo de fusión: 160ºC
Conductividad térmica: 0,13 W/m-K
Figura 32. Componente del ABS. [20]
46
Si profundizamos en estos dos materiales vemos que se diferencian en varios aspectos:
[21]
Si nos fijamos en la tabla vemos que una desventaja del ABS es que tiene una temperatura
de extrusión más elevada. El filamento ABS es amorfo, por tanto, no tiene un punto de
fusión verdadero, aunque 230-240ºC es el estándar para la impresión.
A diferencia de este, el PLA requiere menos temperatura de extrusión (entre 180-220ºC).
Otra diferencia radica en la temperatura de la cama caliente en la que se deposita el
plástico. En el caso del ABS esta debe ser superior a los ochenta grados, mientras que en
el PLA debe estar entre los 50ºC. En este último también es posible la impresión con la
base completamente fría.
Este aspecto influye en la velocidad de impresión 3D, siendo más rápida en el caso del
PLA ya que la temperatura no es un factor tan crítico.
ABS PLA
Temperatura de extrusión: ~ 240 ° C Temperatura de extrusión: ~ 215 ° C
Requiere cama caliente > 70 ° C Poca temperatura de cama caliente ~ 45 °C
Funciona bastante bien sin refrigeración de
capa.
Se beneficia enormemente de refrigeración
de capa durante la impresión
Peor adherencia, se necesita cinta de
poliamida o laca.
Buena adherencia a una gran variedad de
superficies
Resistente a temperaturas altas Poco resistente a temperaturas altas
Más dúctil Más frágil
Se pueden unir piezas usando adhesivos o
disolventes (acetona o MEK)
Se poden unir piezas usando adhesivos
específicos
Los humos son desagradables y nocivos en
áreas cerradas Humos no nocivos y olor más agradable
Plástico derivado del petróleo Plástico de origen vegetal
Tabla 3. Diferencias entre el ABS y el PLA. [24]
47
3.6 Funcionamiento
Como se ha visto antes, la máquina de FDM tiene cuatro ejes, tres de ellos son de
movimiento y el otro es el extrusor, encargado de mover el material por dentro de la
cámara del extrusor. Esto hace que el filamento salga por la boquilla, con el diámetro de
esta, y se deposite encima de la capa anterior.
Figura 33. Esquema de la deformación del filamento. [22]
Al ser depositado, es aplastado contra la anterior capa, provocando que el filamento
depositado se ensanche tal y como puede verse en la imagen superior. Es por eso por lo
que puede deducirse que la tolerancia siempre será hacia “afuera” de donde pasa el
extrusor. Por ejemplo, en una pared exterior, esto significaría que siempre tendría mayor
dimensión de la estipulada en el CAD. Sucedería al contrario con una pared interior.
También tienen un importante impacto dos parámetros como son el diámetro del extrusor
y la altura de capa.
48
Figura 34. Esquema de la deposición de un filamento fundido en función de la sección del
extrusor y la altura de capa. [23]
Como puede apreciarse, distintas configuraciones podrían dar resultados no
satisfactorios, en cuestiones como adhesión de capa o calidad superficial. Esto es
importante de tener en cuenta, ya que a nuestras piezas les aparecerán efectos similares
al cambiar las configuraciones.
Para programar una impresora existen una cantidad importante de lenguajes, pero el más
usado y en el que nos vamos a centrar es el RepRap.
Figura 35. Uso de las impresoras por fabricante.
49
RepRap es un proyecto libre que permite la programación y el uso de una impresora 3D
basada en el movimiento de cuatro ejes. Esto hace que independientemente de la forma o
las características adicionales que tenga la impresora, tendrá un núcleo común en torno al
tipo de controlador que la compone.
3.7 Aplicaciones informáticas
Para obtener las primeras fases usaremos los siguientes programas:
• Fase de procesado previo. El software de preparación colocara un archivo CAD
3D (programa de diseño asistido por ordenador), el Catia. Para convertir el archivo
CAD a STL se utilizará el mismo software.
Luego, calcularemos la trayectoria para extrudir el material termoplástico y
cualquier material de soporte necesario.
• Fase de verificación. A través del programa Netfabb abriremos el archivo STL.
Este software nos permite visualizar si el modelo es apto. Por contrario, si no lo
fuera podemos repararlo a momento.
• Fase de generación del G-code. Una vez esté verificado el modelo,
configuraremos los parámetros con los que imprimiremos.
El programa con el que trabajaremos es el Cura. Cuando terminemos, el archivo
lo guardamos en una tarjeta SD.
3.8 Protocolo de actuación para la puesta en marcha
A continuación, explicaremos el protocolo de actuación para el uso correcto de la
máquina de impresión 3D.
Primero de todo tenemos que comprobar que el cable esté conectado a la corriente. Una
vez hecho esto, pulsamos el botón de encendido. Veremos que se encenderá la pantalla y
al pulsar el botón hacia dentro nos aparecerá un menú.
A partir de aquí, tenemos que preparar la máquina para imprimir. Eso lo hacemos
pulsando en Prepare. Se nos abrirá otro menú en el que pulsaremos Preheat y aquí
elegiremos el material en el que vamos a imprimir.
50
Seguidamente, el extrusor y la cama se empezarán a calentar hasta la temperatura
objetivo. Luego colocamos la bobina en su soporte de forma que el filamento quede hacia
delante. Luego nos vamos al Menú Prepare Move axis + 1mm Z axis, y
giramos el mando para levantar el extrusor. Cuando adquiera la altura adecuada, pulsamos
el mando para salir, y vamos a la pantalla principal.
Es importante que el extrusor tenga una temperatura adecuada dependiendo del material
con el que se esté trabajando. Por eso, verificamos que la temperatura es la adecuada para
extruirlo y, si es así, vamos al menú anterior salvo que ahora pulsamos en Extruder, y
lentamente y de forma constante vamos girando el mando para ir extruyendo el material.
Cuando este vaya saliendo, vamos metiendo el nuevo filamento hasta que el extrusor lo
coja. Una vez nos hayamos asegurado de esto ya estará el nuevo filamento preparado para
usarse.
Para empezar a imprimir necesitamos tener un archivo G-code en una SD o en un PC
conectado en la máquina.
Una vez tengamos esto hecho, volvemos a verificar que las temperaturas son las
adecuadas para imprimir, y si es así, nos iremos al menú, Print from SD, y elegiremos el
archivo adecuado. Entonces, el extrusor se irá al pinto (0,0,0) (Autohome) y luego
empezará a imprimir.
Cuando empiece a imprimir hay que verificar que el perímetro sea correcto, de esta forma
podremos evitar posibles errores. Finalmente, cuando termine pondremos la máquina a
enfriar mediante el menú Prepare Cooldown. Esto lo haremos siempre que luego no
la vayamos a volver a utilizar.
51
4 DISEÑO Y FABRICACIÓN DE LA PIEZA
Este capítulo tratará sobre el diseño y fabricación de la pieza que más tarde será usada
para determinar las tolerancias dimensionales del proceso.
4.1 Diseño de la pieza
El diseño de la pieza cumple un papel fundamental en el proyecto, su geometría será
determinante a la hora de calcular las tolerancias. Es por ello por lo que, atendiendo a las
particularidades de la máquina, se va diseñar una pieza que esté compuesta por varias
geometrías diferentes.
Como la maquina dispone de 3 ejes de movimiento, parece razonable calcular la
tolerancia en estas tres direcciones, a saber, eje X, eje Y y eje Z. Así mismo, calcular la
tolerancia obtenida de una dimensión que sea realizada mediante la interpolación de estos
ejes seria también interesante. En este caso, la interpolación se realizaría entre los ejes
XY, debido a que el eje Z implica un cambio de capa, y por tanto es imposible interpolarlo
con cualquiera de los otros ejes.
Así, tendríamos que generar una geometría con caras en el sentido OX, OY, XY, y OZ.
Esta última se obtendría del propio crecimiento de la pieza a base de las sucesivas capas
superpuestas unas con otras.
Pero, además, debido a las necesidades habituales en la industria, y de la experiencia
personal, vamos a incluir un elemento cilíndrico hueco. De esta forma, se podrá analizar
tanto su diámetro exterior como interior. La manera de generar un cilindro por la
impresora es mediante una interpolación de los ejes XY, pero esta vez de una manera más
crítica a la de una línea diagonal. Esto es así debido a que un error o una mala precisión
podría provocar una geometría poco cilíndrica, llegando la pieza incluso a ser inservible
para su uso final.
Con todas estas consideraciones se optó por una base cuadrada, que se orientaría con sus
caras en los sentidos de los ejes del plano. Encima de esta base, iría otro cuadrado de
52
menor tamaño y con sus caras laterales giradas 45º para que sean diagonales. Por último,
un cilindro hueco encima de este último cuadrado.
Figura 36. Vista isométrica de la pieza.
El objetivo de esta pieza es hacerle un análisis dimensional, por lo que parece razonable
que incluya diferentes medidas entre sus elementos y así poder cubrir varios tipos de
dimensiones.
Es por esto, que se le ha dado una dimensión variable entre 50 mm, la más grande, y 20
mm que es el diámetro interior del cilindro. Entonces quedan:
• 50 x 50 mm la base cuadrada inferior.
• 30 x 30 mm el cuadrado superior.
• Un cilindro hueco, con 25 mm de diámetro exterior y 20 mm de diámetro interior.
La pieza, quitando el interior del cilindro, es maciza, entendiéndose esto por un relleno
del que se detallara más adelante.
53
Figura 37. Dimensiones de la pieza.
El CAD se ha realizado en Catia, y ya solo queda que sea exportado a STL para su
configuración para la impresión, como se verá en el siguiente apartado.
4.2 Fabricación de la pieza
La fabricación de la pieza será determinante en los análisis dimensionales posteriores, por
eso se van a diseñar tres perfiles distintos. Como ya se vio en el capítulo 3, en el apartado
3.5 de funcionamiento de una máquina de FDM, la deposición del filamento puede crear
muchos efectos que van a influir directamente sobre la calidad final de la pieza, así como
la precisión que va a tener. Estos perfiles, a su vez, tienen que tener algún sentido real
donde justifique su uso para conseguir un fin concreto. Basado en mi experiencia
54
personal, así como en el conocimiento del entorno de esta tecnología, se han creado tres
perfiles bien diferenciados, estos son: rápido, calidad estándar y alta calidad.
Estos perfiles responden a una necesidad distinta, cada uno tendrá un uso final diferente,
y por supuesto, tendrán tiempos y costes diferentes. Todos estos detalles se irán
desglosando a lo largo del capítulo.
Para definir estos perfiles, nos basaremos en la experiencia en el ámbito profesional, así
como en los parámetros óptimos recomendados por el fabricante y en el conocimiento
general de la tecnología de FDM.
Para la configuración de la pieza vamos a usar Cura, un software para crear un G-code,
que es el lenguaje que entiende la impresora.
Como ya comentamos antes, se van a usar tres perfiles diferentes para poder compararlos
más tarde. Estos perfiles son: rápido, calidad estándar y alta calidad. Ahora vamos a
entrar en profundidad en cada uno de ellos:
• Rápido: Aquí vamos a buscar que la impresión consuma el mínimo
tiempo posible sin olvidar que buscamos que la pieza siga siendo de
utilidad y por lo tanto tiene mantener cierta calidad para asegurar su uso
posterior.
• Calidad estándar: Es un compromiso entre calidad y velocidad. Para esta
calidad, se ha consultado los parámetros que recomienda el fabricante
además de un ajuste para que sea la mejor calidad posible dentro de un
tiempo razonable.
• Alta calidad: Aquí se han ajustado todos los parámetros de forma que se
asegure que la maquina tenga todos parámetros óptimos para la realización
de pieza en su mejor estado.
Para poder hacer un análisis posterior y concretar de una forma más exhaustiva que
parámetros son los que varían o modifican la calidad y precisión final de la pieza, vamos
a determinar unos parámetros que serán comunes a todos los perfiles de impresión.
Estos parámetros son, en su mayoría, parámetros que no afectan de una forma importante
al tiempo de impresión de la pieza y que generalmente tienen unos valores preestablecidos
55
que permiten que la pieza imprimida disponga de cierta cohesión y rigidez interna. Todos
estos parámetros vienen explicados en el Anexo A para facilitar su compresión sin
extender demasiado este texto.
Cabe también comentar, que algunos parámetros vendrán definidos por alguna
característica física de la máquina, como puede ser el diámetro de la boquilla del extrusor
o el diámetro del filamento del PLA.
En la siguiente tabla figuran los parámetros comunes de todos los perfiles:
Parámetro Valor
Espesor de la pared 1.2 mm
Retracción Habilitada
Velocidad de la
retracción 45 mm/s
Distancia de
retracción 3.5 mm
Espesor del fondo y
de la tapa. 1.2 mm
Espesor de la
primera capa 0.2 mm
Grosor de la
primera línea 100 %
Diámetro del
filamento 2.85 mm
Fluencia 100 %
Diámetro del
extrusor 0.4 mm
Velocidad de viaje 150 mm/s
Velocidad de la
primera capa 30 mm/s
Tabla 4. Parámetros comunes
56
En esta tabla los particulares de cada perfil:
Todas las velocidades se han
establecido iguales en cada uno de sus perfiles con el objetivo de poder analizar su efecto
y así que no se vea modificada la velocidad. Se ha buscado ganar velocidad tanto en el
eje XY, aumentando su velocidad de movimiento, como en el eje Z aumentando su altura
de capa. Lo mismo se aplica en el sentido contrario.
A continuación, se incluyen algunas capturas de pantalla del Cura, donde es destacable la
posición que tiene la pieza con respecto a la cama, cumpliendo lo que se comentó
anteriormente.
Parámetro
Valor
Rápido Calidad
estándar
Alta
calidad
Altura de capa 0,3 mm 0,2 mm 0,15 mm
Velocidad de impresión 55
mm/s 45 mm/s 35 mm/s
Velocidad de relleno 55
mm/s 45 mm/s 35 mm/s
Velocidad del fondo y de la tapa 55
mm/s 45 mm/s 35 mm/s
Velocidad del perímetro exterior
de la pared
55
mm/s 45 mm/s 35 mm/s
Velocidad del perímetro interior
de la pared
55
mm/s 45 mm/s 35 mm/s
Tabla 5. Parámetros particulares de cada perfil
57
Figura 38. Entorno de Cura.
Figura 40. Parámetros avanzados. Figura 39. Parámetros básicos.
58
Figura 41. Detalle del posicionamiento.
El material que se utilizará será un PLA de un diámetro de filamento de 2,85 mm.
Una vez planteados todos los perfiles con sus valores característicos, vamos a hacer una
comparación de sus tiempos de impresión y de su consumo de material.
Es importante conocer estos datos debido a la necesidad de optimizar tiempos y costes
que hay en la industria de hoy en día. Los cambios, como se podrán apreciar en la
siguiente tabla, pueden llegar a ser muy significativos
A continuación, se detallan el consumo de material y el tiempo de fabricación de todos
los tipos de perfiles:
59
Perfil Tiempo
Material
Peso Longitud
Rápido 37 min 14 g 1,71 m
Calidad estándar 1 h 1 min 14 g 1,74 m
Alta calidad 2 h 24 min 14 g 1,77 m
Tabla 6. Consumo de material y tiempo de fabricación de los diferentes perfiles
Comparando los distintos perfiles de impresión podemos hacer una comparación en
tiempo y en consumo de material. Hay que notar que, pese a que no aumenta el peso de
la pieza, si que hay un mayor consumo de material. Esto se debe a que la aplicación solo
mide el peso en gramos y el aumento de este está por debajo de 1 g.
37
61
144
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Tiempo (min)
Alta rapidez Calidad estándar Alta calidad
60
Como se puede observar, hay una enorme diferencia en tiempo entre los distintos perfiles,
sobre todo en el de alta calidad, cuyo consumo en tiempo excede con creces a los demás.
Esto implicaría, para el usuario interesado en optimizar el proceso de fabricación de
piezas, estudiar detenidamente el uso y los requisitos que debe satisfacer la pieza para no
caer en un consumo de tiempo innecesario y, por lo tanto, un incremento de coste evitable.
En el consumo de material el factor relevante es la altura de capa. Una menor altura de
capa conlleva una mayor aplicación de material, pese a que todas las piezas,
independientemente del perfil empleado para su fabricación mediante FDM, sean
geométricamente iguales.
1,71
1,74
1,77
1,68
1,69
1,7
1,71
1,72
1,73
1,74
1,75
1,76
1,77
1,78
Longitud (m)
Alta rapidez Calidad estándar Alta calidad
61
5 ANÁLISIS DIMENSIONAL
En este capítulo vamos a tratar el análisis dimensional de las piezas ya impresas. Entre
todas ellas, hemos cogido una de cada tipo. Se les van a tomar unas medidas con el pie
de rey y con un escáner 3D, con el objetivo de poder valorar la tolerancia dimensional de
cada una de ellas.
Hay que tener en cuenta que las pequeñas imperfecciones que puedan tener, como se vio
en el capítulo tres, resultarían en grandes desviaciones localizadas. Esto provocará que,
pese a que la pieza mantenga una tolerancia determinada en la mayoría de sus puntos,
habrá un conjunto de ellos que obligaran a ampliar este margen de tolerancia, para que,
por ejemplo, pueda formar parte de un ensamblaje.
Como el objetivo de este proyecto es determinar las tolerancias de una pieza tal cual sale
de la impresión, se descartan algunos tratamientos posteriores que mejorarían
enormemente la tolerancia de la pieza resultante. Un primer post-tratamiento podría, en
primera instancia, eliminar todas las imperfecciones, dejando esa dimensión dentro de
unas cotas de tolerancias más ajustadas y precisas.
Como ese no es el caso, se tendrá en cuenta todas las imperfecciones, asumiendo que su
aparición es habitual en cualquier tipo de impresión, siendo muy habituales si se dan las
condiciones necesarias como se vio anteriormente.
Una vez tengamos todas las medidas, vamos a determinar un margen de tolerancia que
englobe todos los posibles resultados, donde estén incluidos, por supuesto, los resultados
más desfavorables. Este margen, diferenciará entre zonas de geometrías distintas, siempre
que sea significativamente distinto.
62
5.1 Medición analógica con el pie de Rey
Las primeras mediciones se van a realizar con un pie de rey, un instrumento de medida
manual, que en este caso cuenta con una apreciación de 0,001 mm. Se van a realizar diez
medidas de cada lado de los dos cuadrados en diferentes puntos a lo largo de cada uno, y
cuatro medidas en el cilindro, tanto de su diámetro exterior como de su diámetro interior
con el objetivo abarcar todas las posibles desviaciones. La medida 1 y 10 corresponderán
a las esquinas de ese lateral, la primera será por donde se empieza a medir y la 10 será la
esquina opuesta, por donde se termina de medir.
Calidad estándar
Valor
nominal
(mm)
Medidas
(mm)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50
Dx 50,20 50,20 50,20 50,00 50,00 50,05 50,05 50,00 50,10 50,40
Dy 50,55 50,50 50,60 50,55 50,55 50,60 50,50 50,60 50,45 50,70
Dz 5.20 5.15 5.25 5.20 5.25 5.00 5.15 5.20 5.05 5.10
30
Dx 30.45 30.30 30.25 30.20 30.20 30.25 30.30 30.35 30.25 30.50
Dy 30.65 30.55 30.65 30.60 30.60 30.60 30.60 30.60 30.60 30.55
Dz 5.25 5.15 5.15 5.20 5.20 5.50 5.25 5.20 5.15 5.05
Cilindro 1 2 3 4
Dext 25 25,20 25,40 25,10 25,15
Dint 20 19,35 19,70 19,80 19,65
Dz 10 10,05 10,10 10,05 10,10
Tabla 7. Medidas de calidad estándar
63
Alta calidad
Valor
nominal
(mm)
Medidas
(mm)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50
Dx 50.55 50.65 50.70 50.65 50.60 50.55 50.70 50.65 50.60 50.80
Dy 50.50 50.50 50.40 50.40 50.40 50.35 50.35 50.35 50.40 50.30
Dz 5,60 5,40 5,40 5,30 5,40 5,45 5,35 5,50 5,45 5,40
30
Dx 30.30 30.35 30.40 30.40 30.50 30.40 30.50 30.35 30.30 30.30
Dy 30.30 30.05 30.15 30.30 30.05 30.35 30.15 30.20 30.35 30.25
Dz 5,10 5,10 5,10 5,05 5,05 5,05 5,10 5,05 5,05 5,05
Cilindro 1 2 3 4
Dext 25 25,05 25,00 25,05 25,05
Dint 20 19,50 19,45 19,70 19,50
Dz 10 10,05 10,00 10,05 10,05
Tabla 8. Medidas de alta calidad
Puede observarse una gran desviación en la dimensión Z del primer cuadrado, el inferior.
Este se debe a que el filamento no ha sido aplastado contra la cama, por lo que formo una
geometría redonda y más abultada, de ahí su aspecto. Este fenómeno es habitual e
influyen muchas variables, tales como la suciedad de la cama o la calibración de la misma.
Será tenido en cuenta en el análisis.
64
Rápido
Valor
nominal
(mm)
Medidas
(mm)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50
Dx 50.80 50.40 50.40 50.35 50.45 50.30 50.45 50.35 50.40 50.85
Dy 51.00 50.50 50.50 50.60 50.55 50.45 50.40 50.55 50.50 50.95
Dz 5,05 5,05 5,00 5,05 5,05 5,00 5,05 5,00 5,00 5,05
30
Dx 30.75 30.60 30.55 30.55 30.60 30.50 30.60 30.55 30.50 30.55
Dy 30.40 30.35 30.35 30.30 30.40 30.35 30.30 30.30 30.45 30.40
Dz 5,05 5,10 5,05 5,00 5,05 5,05 5,05 5,00 5,05 5,05
Cilindro 1 2 3 4
Dext 25 25,00 25,40 25,00 25,00
Dint 20 19,70 19,30 19,70 19,65
Dz 10 10,10 10,05 10,10 10,10
Tabla 9. Medidas del perfil rápido
A modo de resumen, y para poder apreciar de una forma más clara, en la siguiente tabla
aparecen los valores máximos y mínimos de cada dimensión que han sido medidos.
65
Resumen de medidas
Valor
Nominal
(mm)
Zona
Tipo de
desviación
(mm)
Tipo de perfil
Rápido Estándar Alta
calidad
50 Cuadrado
inferior
Max. 51,00 50,70 50,70
Min. 50,30 50,00 50,35
30 Cuadrado
superior
Max. 30,75 30,65 30,50
Min. 30,30 30,20 30,05
25 Diámetro
ext.
Max. 25,40 25,40 25,05
Min. 25,00 25,10 25,00
20 Diámetro
int.
Max. 19,70 19,80 19,70
Min. 19,30 19,35 19,45
Dz
10 mm
cilindro
Max. 10,10 10,10 10,05
Min. 10,05 10,05 10,00
5 mm
inferior
Max. 5,05 5,25 5,60
Min. 5,00 5,00 5,30
5 mm
superior
Max. 5,10 5,25 5,10
Min. 5,00 5,05 5,05
Tabla 10. Resumen de medidas
Como se ha comentado anteriormente, las desviaciones mantienen un rango cercano,
donde destaca el perfil rápido, como era de esperar. Por otra parte, se puede observar una
menor desviación en el cuadrado pequeño, sobre todo en los perfiles. Esto podría estar
ocasionado por su menor dimensión, ya que se ha observado
Con toda esta información, podemos encuadrarla en un intervalo donde la desviación
máxima y la mínima sean los extremos.
66
Tabla de desviaciones
Valor
Nominal
(mm)
Zona
Tipo de perfil
Alta rapidez Estándar Alta calidad
50 Cuadrado 1 +1,00 +0,70 +0,70
+0,30 +0,00 +0,35
30
Cuadrado 2
+0,75 +0,65 +0,50
+0,30 +0,20 +0,05
25
Diámetro ext.
+0,40 +0,40 +0,05
+0,00 +0,10 +0,00
20
Diámetro int.
-0,30 -0,20 -0,30
-0,70 -0,65 -0,55
Dz
10 mm
cilindro
+0,10 +0,10 +0,05
+0,05 +0,05 +0,00
5 mm inferior +0,05 +0,25 +0,60
+0,00 +0,00 +0,30
5 mm
superior
+0,10 +0,25 +0,10
+0,00 +0,05 +0,05
Tabla 11. Desviaciones
Es interesante señalar, debido a la comparación posterior, que estos valores son las
desviaciones totales de la dimensión de cada uno de los elementos. Normalmente, cuando
alguna pieza que vaya a ser fabricada mediante la tecnología de FDM quiera usarse en
algún ensamblaje, conviene más conocer cuanta desviación tendrá por cada lado. Esto
sería simplemente la mitad de la dimensión que aparece en la tabla anterior.
En la siguiente medición, ya con el escáner y procesada digitalmente, obtendremos las
desviaciones de cada punto, que siendo uno por una cara y otro por la otra cara sumarian
la desviación total que aquí se ha presentado.
67
5.2 Medición digital con el escáner 3D
En este apartado haremos uso del escáner 3D, Capture 3D de Geomagic, que está en los
laboratorios de la Escuela Técnica Superior de Sevilla, más concretamente en el
laboratorio de ALM.
Con la aplicación de esta tecnología, clasificaremos los puntos de forma estadista en
intervalos de desviación. De esta forma podremos conocer un poco mejor como se
reparten esas desviaciones a lo largo de la superficie de nuestra pieza.
Por el contrario, el análisis mediante el escáner tiene algunas desventajas. Para poder
recibir una buena imagen de la pieza que estamos escaneando, la exposición a la luz, así
como otros muchos factores que se irán exponiendo más adelante, se han tenido que ir
ajustando para que la imagen fuera la mejor posible. El escáner cuenta con una precisión
entre 0.060-0.118 mm.
Figura 42. Escáner junto a la mesa de escaneo.
68
La posición del escáner es un factor importante, su inclinación afectará de forma que hará
las zonas visibles o no. Una posición cenital captaría todos los detalles de la planta de la
pieza, pero perdería información de el espesor y los detalles laterales de la misma. Por el
contrario, una vista demasiado horizontal haría que la pieza tapara zonas traseras
perdiendo así esa información.
Figura 43. Vista de un escaneo.
Como puede apreciarse en la figura superior, una vista inclinada a unos 60º de la pieza es
capaz de reconocer el espesor en la parte frontal de la pieza junto con algunos detalles de
la parte posterior de la misma.
El área de escaneo, la luz azul que proyecta el escáner para recoger las imágenes, debe
encerrar a la pieza completa, pero además debe poder ver zona adyacente donde se
pondrán puntos objetivo a los que llamaremos “targets”.
Como ya hemos comentado, la mesa giratoria tiene unos puntos marcados llamados
“targets” (puntos objetivo) de fondo blanco con una circunferencia negra. Estos puntos
69
los usa el escáner para localizar la posición de la imagen que está escaneando dentro de
lo que es la composición final de imágenes que compondrán finalmente la pieza. Como
mínimo, el escáner deberá reconocer tres puntos anteriores para poder incluir la nueva
captura dentro de la composición de la pieza final.
El proceso de escaneo completo consistiría en ir realizando sucesivas capturas mientras
la pieza rota. Con esto obtendríamos la pieza final por la cara de arriba.
Para poder ver la cara inferior, debemos darle la vuelta a la pieza, y comenzar de nuevo
el proceso de escaneo. Esto generará una nueva composición, diferente a la anterior, y
que habrá que fusionar.
Figura 44. Vista superior e inferior del escaneo.
Antes de presentar el software, se comentará brevemente el efecto de la luz sobre la
imagen capturada. El escáner viene preparado para filtrar la luz solar natural, por lo que
la luz artificial, como por ejemplo la luz de los fluorescentes, dificulta y ensucia la captura
realizada. Además, el brillo provoca que no se capturen los puntos donde está la zona
brillante. Es por eso por lo que será necesario cubrir con polvos mate y blanco la pieza,
ya que el blanco mate es el color que mejor detecta el escáner.
70
Figura 45. Pieza cubierta con el polvo.
Este escáner viene acompañado de un software de análisis dimensional llamado
Geomagic Control 2015. Este programa nos permite convertir las imágenes recogidas por
el escáner en un sólido 3D que luego podemos comparar con el CAD original. La variedad
de herramientas y análisis lo hace un programa muy completo e interesante.
La aplicación Geomagic Control 2015 hace, por defecto, un análisis estadístico de los
puntos, ordenándolos y clasificándolos en grupos de desviaciones.
Figura 46. Interfaz de Geomagic Control 2015.
71
Lo primero será alinear la parte superior con la inferior. Para ello definiremos puntos en
los dos conjuntos y el programa los alineara. El problema de esto es que los puntos deben
de ser seleccionados manualmente en la vista. Esto hace que la dimensión Z no sea exacta,
introduciendo un error que impedirá poder medir las desviaciones en esa dirección.
El siguiente paso será importar el CAD original para poder compararlo con la pieza
escaneada. Lo ajustamos mediante la rutina “Best fit” que analizara las dos piezas en
busca de geometrías comunes para alinearlas lo mejor posible. Para este proceso
ajustamos la tolerancia máxima de desviación de puntos a 0.0001 mm. Esta tolerancia
será asumible en la mayoría de puntos y aquellos que no lo consigan serán los que
presenten desviaciones reales frente al CAD.
Figura 47. Fusionado entre el CAD y la pieza escaneada.
Una vez fusionadas, utilizaremos las herramientas que nos proporciona el programa para
ver las desviaciones en los tres ejes del espacio, obteniendo así el resultado final que
buscamos. También nos valemos de otras útiles herramientas para realizar cortes y
medidas de interés que comentaremos ahora. Además, en el Anexo B se incluyen los
informes completos.
72
Figura 48. Desviaciones 3D de la pieza con la configuración de calidad estándar.
Puede apreciarse una mayoría de zonas verdes en los laterales, que son el objeto de
estudio. Las zonas horizontales no las tenemos en cuenta por lo ya expuesto antes.
Estas zonas verdes representan un intervalo de desviaciones de (-0,2649, 0,2649). Eso
significa que los puntos estarán comprendidos entre esos dos valores. Luego también
vemos pequeñas zonas amarillas que representan desviaciones en otro intervalo diferente,
en este caso sería (0,2649,0,3380). Además, ningún punto tiene un valor negativo de
desviación, este solo lo emplea porque la distribución la plantea de forma simétrica
centrada en el cero. Por esto la desviación mínima será 0.
Lo primero que hay que observar es que el programa intenta agrupar las desviaciones en
intervalos. Ajusta el color y la escala para que todos los puntos tengan una representación
escalada. Como muchos de los puntos con mayor desviación son debido al eje Z, esto
hará que aumenta la escala más de lo que sería real. Aun así, fijándonos bien en las zonas
y sus colores además de cogiendo alguna medida puntual, si que podemos sacar una
conclusión clara, la mayoría de puntos está dentro del mismo intervalo.
Vamos a tomar algunas medidas para verlo con más detalle.
73
Figura 49. Vista de algunas medidas de la pieza en calidad estándar.
En la figura anterior pueden verse algunos puntos y observar como sus medidas están
todas cercanas al 0,2649. Esto coincide con lo que se mide con el pie de rey.
Vamos a ver estadísticamente como se distribuye esa desviación:
Tabla 12. Distribución de desviaciones en la pieza de calidad estándar.
Solo se han cogido las zonas que son de interés, el resto de puntos estarían en la zona de
desviaciones en Z y no vamos a estudiarlas. Se puede observar que la mayoría de puntos
está en la zona de mejor precisión. Ya se comentó en el apartado anterior, que las
imperfecciones eran las causantes del aumento de las desviaciones siendo la calidad
general de la pieza mucho mejor. También se comentó que con un pequeño tratamiento
superficial se mejoraría mucho la terminación de la pieza de cara a buscar un ensamblaje
posterior.
74
También se le puede realizar un corte a la pieza y ver el perfil.
Figura 50. Vista del corte OX para la pieza de calidad estándar.
Figura 51. Vista de las desviaciones del corte OX de la pieza en calidad estándar.
75
Realizando el corte pueden verse algunos detalles, como el hecho de la buena precisión
exterior en la zona del corte. En cambio, la zona interior del cilindro sí presenta una
importante desviación. Hay que recordar que esto ya pudo apreciarse en las medidas con
el pie de rey. Cabe plantearse si las “inner Shell” tienen una calidad inferior a las “outer
Shell”.
Vamos a hacer un corte al cilindro para ver su cilindricidad:
Figura 52. Vista del corte a Z=15 mm de la pieza de calidad estándar.
Figura 53. Vista de las desviaciones del corte a Z=15 mm de la pieza en calidad estándar.
76
En esta calidad la impresora es capaz de reproducir con una buena precisión tanto el
cilindro exterior como el interior. No presenta grandes imperfecciones por lo que no
planteara muchos problemas a la hora de encajarlo en otra pieza.
Figura 54. Vista en 2D del corte a Z=15 mm de la pieza en calidad estándar.
Vamos a hacer lo mismo para los otros perfiles, alta calidad y rápido.
Figura 55. Vista de las desviaciones 3D de la pieza de alta calidad.
77
Cabe recordar que solo se analizaran las paredes laterales. Para la pieza de alta calidad, la
mayoría de sus puntos se engloban en los mismos intervalos de desviaciones que los
anteriores, los de la calidad estándar, solo que aquí si se aprecia el efecto de rayado que
tiene en los laterales. Esto estaría provocado por el excesivo aplastamiento del filamento
contra la capa anterior, y provocaría que algunas líneas sobresalieran más que otras.
Figura 56. Vista de algunas medidas en la pieza de alta calidad.
Cogiendo una muestra de puntos vemos que las desviaciones permanecen pequeñas de
todas formas.
Repetimos los mismos cortes para esta pieza.
78
Figura 57. Vista del corte OX para la pieza de alta calidad.
En esta figura se puede apreciar algo parecido a lo anterior, y es que la calidad exterior
es mejor a la anterior. Además, en la zona donde se produce el corte hay muy buena
precisión.
Figura 58. Vista del corte a Z=15 mm de la pieza de alta calidad.
79
Se puede observar, que el cilindro esta mejor que en calidad estándar, ya que presenta
muy pocas imperfecciones y las desviaciones son muy pequeñas coincidiendo con las
conclusiones obtenidas con el pie de rey.
Vamos ahora con la pieza del perfil rápido:
Figura 59. Vista de desviaciones 3D en la pieza del perfil rápido.
Como se puede apreciar, casi toda la pieza se presenta en ver, al contrario de los que venía
viendo en las piezas anterior. Esto se debe a que al alinear esta pieza tuvo una
correspondencia mejor entre los puntos alineados y la pieza de CAD, por lo que casi toda
ella coincide con el CAD.
Lo más reseñable en esta pieza son las zonas de las esquinas donde presenta importantes
imperfecciones que aumentan considerablemente las desviaciones. Así como también
pueden observarse unas grandes imperfecciones en las zonas del cilindro tanto en la parte
interior como en la parte superior.
80
Figura 60. Vista del corte a Z=15 mm de la pieza del perfil rápido.
Aquí podemos ver el corte del cilindro donde se aprecia como esa gran zona de
imperfecciones perjudica seriamente el cilindro interior. Esto podría provocar que no
fuera lo suficientemente cilíndrico para el desempeño previsto.
Figura 61. Vista del corte OY de la pieza del perfil rápido.
Aquí vemos unas desviaciones pequeñas, donde en la zona interior del cilindro vuelven a
destacar.
81
5.3 Conclusiones del análisis dimensional.
Después de haber analizado mediante las dos herramientas las diferentes piezas, pueden
observarse claramente varios detalles.
Para las 3 piezas, la mayoría de los puntos se encuentran en verde, lo que implican que
estarían en el intervalo (-0,2649, 0,2649). Ya explicamos que no había puntos con cota
negativa, por lo que este intervalo se transformaría en (0, 0,2649). Si sumamos la
desviación a un lado y a otro, obtendríamos 0,5298, que redondeándolo serian 0,53.
Si nos fijamos en las medidas hechas con el pie de rey, es fácil ver que muchas medidas
entran dentro de este margen, por lo parece ser cierto. Pero en el escáner, y en las medidas
realizadas con el pie de rey entran también otras dimensiones mayores.
Estas se corresponderían a las zonas amarillas y rojas. Aquí se observan distintas formas.
Hay zonas localizadas amarillas, lo que significaría que, en esa zona, probablemente se
deba a una mala deposición en una de las capas, y esto ha afectado al resto de las capas
sucesivas.
También vemos zonas amarillas en una línea horizontal a lo largo de una cara. Esto puede
ser debido a que a la hora de depositar el filamento se ha aplastado más contra la anterior
capa, por ejemplo, porque esta no quedara debidamente adherida a la anterior y por tanto
tuviera más altura de la que debería. Es interesante hacer notar que, para este tipo de
desviación concreta, que afecta a todo el lateral de la pieza, afectaría a todas las medidas
del pie de rey, ya que el primer contacto lo tendría con esta zona. Eso es positivo, ya que
para configurar un ajuste tienen que estar todas las zonas dentro del mismo margen.
Por último, en las esquinas se concentra una gran parte de las imperfecciones. Esto se
refleja en unas mayores desviaciones localizadas en esas zonas, lo cual coincide con lo
medido con el pie de rey.
Es por todo esto, que las desviaciones con las que se calculara el ajuste posterior serán las
medidas por el pie de rey y por tanto las presentadas en la tabla 11 de desviaciones.
82
6 EVALUACIÓN DE RESULTADOS
En este capítulo vamos a analizar y a usar los valores que hemos obtenido anteriormente.
Para ello vamos a basarnos en las medidas obtenidas mediante la medida manual, ya que
en el análisis digital pudimos ver que la mayoría de puntos se encuentran dentro del
intervalo medido por esta.
Además, vamos a hacer un ejercicio práctico con ellos, diseñando un ajuste con juego
entre la pieza de calidad estándar y un soporte, que vamos a diseñar con una calidad
rápida.
6.1 Diseño y fabricación de la pieza soporte
6.1.1 Objetivo
Se va a diseñar una pieza para que encaje con la nuestra, con un ajuste determinado,
basándonos en los datos que hemos obtenido. La pieza será un cuadrado con un vaciado
idéntico de la pieza, con las dimensiones personalizadas para el juego previsto.
6.1.2 Cálculos de juego
Se va a diseñar un ajuste con un juego determinado, por ejemplo, un juego mínimo de
0,20 mm. Vamos a ver que dimensiones obtenemos para poder cumplir este objetivo:
𝐽𝑚𝑖𝑛 = 0,20 → 𝐷𝑚𝑖𝑛 − 𝑑𝑚𝑎𝑥 = 0,20
Donde D es la dimensión en la caja y d en la pieza. Esto por tanto implica:
Para el cuadrado inferior de 50 x 50 mm (D1)
𝐷𝑚𝑖𝑛 = 0,20 + 50,70 += 50,90 𝑚𝑚
𝐷𝑛𝑜𝑚 = 𝐷𝑚𝑖𝑛 + 𝑡𝑜𝑙(max) = 50,90 + 0,70 = 51,60
𝐷1 = 51,60−0,70−0,00 𝑚𝑚
83
Para el cuadrado superior de 30 x 30 mm (D2)
𝐷2 = 31,60−0,70−0,00 𝑚𝑚
Para el cilindro debemos calcular el ajuste por dentro y por fuera:
𝐷𝑒𝑥𝑡𝑚𝑎𝑥 = −0,20 + 19,30 = 19,10 𝑚𝑚
A este diámetro hay que aplicarle las tolerancias sacadas del diámetro exterior del
cilindro, ya que este será exterior:
𝐷𝑒𝑥𝑡 = 𝐷𝑒𝑥𝑡𝑚𝑎𝑥 + 𝑡𝑜𝑙(max) = 19,10 − 0,25 = 18,85 𝑚𝑚
𝐷𝑒𝑥𝑡 = 18,85+0,05+0,25 𝑚𝑚
Y para el otro:
𝐷𝑖𝑛𝑡 = 25,25 + 0,20 = 25,45 𝑚𝑚
𝐷𝑖𝑛𝑡 = 𝐷𝑖𝑛𝑡𝑚𝑖𝑛 + 𝑡𝑜𝑙(max) = 25,45 + 0,70 = 26,15 𝑚𝑚
𝐷𝑖𝑛𝑡 = 26,15−0,70−0,50 𝑚𝑚
6.3 Diseño de la caja
Para el diseño de la caja, se utilizará la herramienta Catia. En este diseño, vamos a crear
un sólido donde ira encajado nuestra pieza según los cálculos realizados.
Consiste como se ha mencionado antes en un cuadrado de 75 x 75 mm al que se le ha
practicado un vaciado con las dimensiones que figuran en la figura siguiente.
84
Figura 62. Diseño de la pieza soporte en Catia.
6.4 Ensamblaje de la pieza soporte
Procedemos a la fabricación del soporte. Los parámetros vienen prefijados por el perfil
que se va a emplear. Con una posición tal como se puede apreciar en la figura.
Figura 63. Fabricación de la pieza soporte.
85
Una vez terminado, pasamos a verificar si efectivamente la pieza es capaz de encajar en
el soporte, tal y como se ha pretendido. El soporte no presenta ninguna imperfección
reseñable, más allá de una irregularidad en la línea del contorno del cilindro interior,
exterior en la pieza soporte.
Figura 64. Pieza encajada perfectamente en el soporte.
86
7 CONCLUSIONES
7.1 Trabajos futuros
Una vez realizado el proyecto, se podrían haber mejorado algunas cuestiones. Aunque la
idea siempre fue que la máquina, dentro de un buen estado de uso, fuera una máquina
convencional para asemejarla a la que podría estar en cualquier laboratorio o industria, sí
que podría haberse ajustado en la programación, así como realizarle un mantenimiento
como el descrito en el presente libro, para asegurar de una manera más fiable que los
resultados no son producto de una máquina en mal estado.
También, con una mayor disponibilidad de tiempo, podrían haberse impreso tiradas de
cada tipo para que la media estadista de las desviaciones fuese más certera y concluyente.
El escáner, una herramienta impresionante, tiene módulos para acoplar dos visores
adicionales que harían que la intervención humana fuese mínima. Con estos escáneres
adicionales es capaz de componer la pieza de una manera más precisa y sin necesidad de
alineamiento, y con eso reduciríamos las desviaciones provocadas por mal alineamiento
en el eje Z, como nos ha sucedido.
7.2 Conclusiones
Una vez que se tienen los resultados, se pueden observar varias características. La mejor
pieza es la realizada con los parámetros puestos en calidad estándar. Estos parámetros
son además recomendados por el fabricante de la máquina, con los que se espera que sean
los óptimos para imprimir. Esta pieza presenta la mejor adhesión entre capas, además de
un buen acabado superficial. También se puede observar que presenta muy pocos
defectos, como bultos o esquinas hundidas.
En la pieza de alta calidad, se observa que hay poca adhesión entre capas, lo que hace
que tenga unas superficies irregulares. Esto sucede cuando la temperatura del fluido no
es lo suficientemente alta cuando se deposita en la superficie de la pieza, estando
prácticamente en estado sólido. De esta forma no se adhiere bien a la capa anterior y
87
provoca este aspecto “hilado”. La causa de esto podría ser la combinación de dos factores,
una altura de capa pequeña y una lenta velocidad de impresión. Esto haría que el filamento
se seque rápidamente y no se deposite en un estado viscoso como debería.
Algo similar puede observarse en la pieza con parámetros de rápido. Esto en cambio seria
por otra causa, la unión de una capa gruesa puesta a gran velocidad. Esto hace que
inevitablemente la calidad superficial, así como la adhesión entre capas sea más basta. En
cambio, aquí si que puede observarse gran cantidad de defectos en esquinas y en las
paredes del cilindro, provocadas por la alta velocidad de impresión.
En términos de precisión, la pieza de calidad estándar y la pieza de alta calidad tienen
unas precisiones parecidas en las zonas de los cuadrados, no así en el cilindro donde la
menor velocidad de la pieza alta calidad asegura una mejor precisión. En cambio, la pieza
alta rapidez tiene unas importantes imperfecciones en la zona interior y superior del
cilindro y podría no ser útil para la aplicación deseada.
Ahora se va a imprimir una pieza para que encaje con la pieza calidad estándar. Con esto
se va a intentar aplicar lo aquí comentado para intentar demostrarlo.
88
ANEXO A: PROGRAMAS DE
CONFIGURACIÓN PARA FDM
El cura es un software que te permite configurar los parámetros de impresión para crear
un código que te permita pasar de un modelo 3D a uno real mediante una impresora 3D.
Respecto a la configuración de la máquina, cuando se abre el programa por primera vez,
aparece un menú que te permite definir los parámetros de la impresora 3D que se vaya a
usar.
crear CURA es un re que
te
Figura 65. Pantalla inicial de
configuración de nueva máquina Figura 66. Pantalla de selección de la
máquina
89
A continuación, podemos observar la interfaz del programa:
crear un código que te per mita
pasar de un modelo 3D Para añadir un .STL podemos irnos a la opción “Load model file…” o simplemente
arrastrar la pieza a la cama.
Figura 67. Menú de configuración de
impresora personalizada
Figura 68. Interfaz del Cura
90
Para poder posicionar la pieza dentro de la cama, tenemos varias opciones. Estas son las
siguientes:
• Rotación y translación. Podemos rotar la pieza además de moverla por la cama
con solo usar el ratón.
• Escalado. Podemos usar la herramienta escalar para reducir o aumentar su escala.
• Espejo. Se usa para hacer una simetría respecto a un plano coordenado.
Cuando la pieza este dentro de las dimensiones de la cama (perímetro incluido) se verá
de color. Para que el posicionamiento sea correcto deberá estar en su posición óptima
pensando en su fabricación.
Tenemos varias opciones de visualización: normales, salientes, transparentes, rayos-X y
capas.
En el caso de los salientes se muestran las superficies que están flotando en el aire y que
por lo tanto no se impriman bien ya que el material no esté apoyando y se caiga.
En las transparentes muestran las superficies transparentes para poder observar el interior
de la misma.
Figura 69. Ejemplo de rotación de la pieza
91
Los rayos-X, como en el caso anterior, sirven para observar cavidades inferiores.
En el caso de las capas, su visualización nos muestra como va a ir creciendo la pieza y
como van a estar situadas cada capa de la misma. El código de colores es el siguiente:
• Azul claro para el perímetro inicial y el material de apoyo.
• Rojo para el perímetro exterior de la capa.
• Verde para el perímetro interior de la capa.
• Amarillo para el relleno de la pieza.
• Azul oscuro para la trayectoria en movimiento rápido del extrusor.
Figura 70. Visualización transparente
Figura 71. Visualización con rayos-X
92
Además de todas estas herramientas, disponemos de otras tantas pulsando con el botón
derecho del ratón en la pieza.
Una vez vista la configuración de la máquina, ahora veremos los parámetros básicos de
la impresión. Estos son los siguientes:
❖ Parámetros BASIC. Estos se encuentran en la izquierda de la interfaz, en la
pestaña “basic”.
❖ El espesor de la capa determina la altura de esta, e influirá notablemente en el
resultado y definición de la pieza.
Valores que nos permiten diferenciar como es la calidad:
• Calidad alta: 0.10 mm ~ 0.15 mm
• Calidad media: 0.20 mm ~ 0.25 mm
• Calidad baja: 0.30 mm ~ 0.35 mm
Figura 72. Vista de la herramienta Layers
93
• Espesor de la pared. Es la dimensión que tendrán las paredes laterales. Esto le dará
a la pieza más resistencia y opacidad, por lo que es un parámetro muy importante.
o Este parámetro deberá ser múltiplo del diámetro del extrusor ya que es el
número de pasadas que dará el extrusor para adquirir esa dimensión. En
caso de que no lo sea el programa lo redondeara automáticamente.
o Un ejemplo es un extrusor de 0.4:
• 0,8 mm – Poca robustez
• 1,20 mm – Robustez media
• 1,60 mm – Robustez alta
• Habilitación de la retracción. Con la retracción habilitada, podemos retraer el hilo
en el extrusor y conseguir así que no deposite material en un movimiento rápido.
• Espesor de la capa inferior/superior. Permite determinar la altura en milímetros
de la capa primera y última de una superficie. Este valor debe ser múltiplo de la
altura de la capa que tengamos configurada, siendo así el número de capas de
relleno que hará el extrusor para cerrar la superficie.
Figura 73. Introducción de los
valores
94
o Este valor podría situarse en:
▪ Superior a 1 mm para un resultado opaco.
▪ Inferior o igual a 1 mm para una capa fina.
• Densidad del relleno. Este parámetro controla lo denso que hará el relleno de la
pieza, siendo 0% hueco y un 100% macizo.
• Velocidad de impresión. Esta afecta mucho al resultado final, siendo esta
determinante para la tolerancia, la precisión y el acabado.
o Los parámetros en los que se mueve esta son:
▪ 30-45 mm/s para una buena calidad.
▪ 45-50 mm/s para una calidad estándar.
▪ 50-60 mm/s para una mala calidad.
• Temperatura del extrusor y cama. Estas vendrán determinadas por el material que
queramos imprimir.
• Tipo de apoyo. En este caso tenemos dos tipos diferentes:
• El que se encuentra tocando con la cama. Este generará un material de
apoyo desde la cama hasta los salientes que tenga la pieza, siempre que
sea posible. Esto, por ejemplo, no haría de material de apoyo en los
agujeros anteriores.
Figura 74. Ejemplo donde podemos
observar las diferentes densidades
del relleno
95
• Cualquier sitio. Además de generar el mismo material de apoyo que haría
la acción anterior, generaría también material de apoyo en las zonas
interiores que lo requieran.
• Plataforma de adhesión. En este caso, tenemos varias opciones:
• No colocar ninguna plataforma
• Borde (Brim). Se coloca una plataforma desde el borde (perímetro) hasta
la zona de apoyo.
• Borrador (Raft). Se coloca una base entera donde luego se imprimirá la
pieza.
Figura 75. Apoyo que se encuentra tocando con la cama
Figura 76. Apoyo que se encuentra tocando cualquier sitio
Figura 77. Vista de la pieza sin plataforma de adhesión
96
Figura 79. Vista con el borrador (Raft)
A la hora de elegir que opción escoger deberemos tener en cuenta la facilidad a la hora
de quitar el material de apoyo, y posibles efectos como el pandeo o que se mueva la pieza.
• Diámetro del filamento y flujo. Estos dos parámetros nos permitirán definir el
diámetro del hilo de filamento y la cantidad (en %) de filamento extruido. Por
ejemplo, 120% extruirá un 20% más de filamento de lo normal.
Una vez explicados estos parámetros, ahora pasaremos a ver los parámetros advanced.
Estos son los siguientes:
• Diámetro de la boquilla. Aquí especificaríamos el diámetro de la boquilla que
tuviésemos puesta.
• Velocidad y distancia de la retracción. Se controla la velocidad y la cantidad de
milímetros con la que se hará la retracción.
• Espesor de la capa inicial. Permite determinar un espesor específico para la capa
que está apoyada en la cama. Si su valor fuese 0,0 esta capa seria del mismo
tamaño que las otras.
97
• Ancho de línea de la capa inicial. Este factor permite añadir un extra de pared en
la primera capa. Esto puede ser beneficioso para la adherencia en la cama. El valor
normal será un 100%.
• Corte de la pieza con la cama. Nos permite ajustar un “offset” para que corte con
la cama para tener más zona de contacto con ella.
• Superposición de la extrusión dual. Añade una cierta cantidad de solapamiento de
material en caso de tener dos extrusores, de esta forma imprime los dos colores en
la misma capa para minimizar el impacto visual del cambio de capa y color.
El NETFABB es un software para preparar archivos. STL que estén dañados, presenten
superficies poco definidas o zonas de riesgo de cara a la impresión 3D.
Cuando abrimos el programa nos encontramos con su interfaz básica.
NETFABB
Figura 80. Interfaz básica del Netfabb
98
A continuación, explicaremos las diferentes cosas que nos permite hacer el programa:
• Importar un .STL. para ello, iremos al botón de la barra de herramientas en el que
sale una carpeta y una flecha, o bien en el submenú “Project”, el comando “open”.
• Reparar un archivo. En el menú superior, pincharemos en el icono de la cruz roja
para reparar nuestro archivo.
A la derecha podremos ver las opciones para la reparación del archivo. Al final tendremos
dos opciones, la reparación automática, aplicar la reparación que hayamos puesto en el
menú de arriba.
Figura 81. Mallado de una pieza en el Netfabb
99
Una vez reparado, tendremos un nuevo. STL que se llamara “nombre (repaired).STL”
que es el archivo con las reparaciones que hemos puesto. Ahora solo tenemos que
guardarlo para poder usar este nuevo archivo.
Figura 82. Reparación automática
100
101
ANEXO 2: INFORMES DE GEOMAGIC
CONTROL 2015
102
103
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