Impresion 3D Proyecto Final
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Erick Falcon Alva 1467954 Diego Hildeberto Cruz Mendez 1381815 Página 1
Prototipos Rapidos M.C Luis Fernando Gonzalez Gutierrez Impresión 3D
Indice 1.0 Introducción ...................................................................................................................................... 2
2.0 Concepto de Rapid Prototyping y diferentes tecnologías ................................................................ 3
3.0 Generalidades del Proceso de Impresión 3D .................................................................................... 7
3.1 Impresión 3D mediante inyección de aglutinante en cama de polvo .......................................... 8
3.2 Componentes de la maquina de impresión 3D ............................................................................. 9
3.3 Descripción detallada del proceso .............................................................................................. 10
3.4 Tipos de software utilizados en la impresión 3D ........................................................................ 12
3.5 Tolerancias dé la impresión 3D ................................................................................................... 15
3.6 Materiales ................................................................................................................................... 16
3.6.1 Polvos .................................................................................................................................. 16
3.6.2 Aglutinantes ........................................................................................................................ 17
3.6.3 Infiltrantes ........................................................................................................................... 18
4.0 Proveedores de equipos ................................................................................................................. 18
4.1 Descripcion especifica de modelos de otras marcas ........................................................................ 21
4.1.1 Solid escape 076 plus ................................................................................................................. 21
4.1.2 Solid escape R66 plus ................................................................................................................ 22
4.1.3 Objet24 ............................................................................................................................... 23
4.1.4 Objet 260 ............................................................................................................................. 24
5.0 Detalles del diseño .......................................................................................................................... 25
5.1 Armazon ............................................................................................................................................ 25
5.2 Mecanismo ........................................................................................................................................ 28
5.3 Medidas y diemensiones de la maquina ........................................................................................... 31
6.0 Referencias ............................................................................................................................................ 32
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1.0 Introducción A finales de los 60’s, Herbert Voelcker, profesor de ingeniería en la universidad de Rochester, ahora en
la Universidad de Cornell, se dio un tiempo de descanso, en el cuál se preguntó cómo hacer “cosas
interesantes” con el control computarizado y automático que se empezó a desarrollar en esos tiempos.
Voelcker quería encontrar una manera de tomar las salidas de diseños de programas de computadoras y
y utilizarlos para programar máquinas herramientas automáticas.
Lo primero que hizo Voelcker fue desarrollar herramientas matemáticas básicas para describir espacios
tridimensionales. El resultado fue la teoría matemática y algoritmos para el modelado en sólido, que hoy
en día es la base de los programas de computadora utilizado para diseñar sistemas mecánicos, juguetes,
autos hasta rascacielos.
Durante el 1970, Voelcker transformó la forma en que los productos eran diseñados, más sin embargo la
forma en la que eran hechos, era la misma, un maquinista o una máquina controlada por computadora,
eliminaría el exceso de una pieza grande de metal hasta que se obtuviera la forma deseada, muy
parecido a como Miguel Ángel removió pedazos de mármol de un bloque hasta que lo convirtió en la
estatua del David.
Fue en 1987, en la Universidad de Texas, el investigador Carl Deckard, trajo una mejor idea. En vez de
realizar una pieza, cortando pedazos de un gran trozo de material, ¿Por qué no construirlo capa por
capa?
Deckard se imaginó “imprimiendo” modelos tridimensionales, utilizando un laser que fundiera polvo
metálico en prototipos sólidos, una capa a la vez.
Deckar presentó su idea a la NSF (National Science Foundation), quien le otorgó un presupuesto de
$50,000 dólares para SGER (Small Grant for Exploratory Research) para alcanzar lo que él llamó,
“sinterizado selectivo láser”. El resultado de los esfuerzos de Voelckers y Deckard’s han sido de gran
importancia para el desarrollo de la nueva industria llamada “free form fabrication” o “rapid
prototyping” (Prototipado Rápido) lo cual ha revolucionado la forma en que los productos se diseñan y
manufacturan.
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2.0 Concepto de Rapid Prototyping y diferentes tecnologías El Prototipado Rápido, como ya se indico, podemos concebirlo como un conjunto de tecnologías, que
permiten la obtención de prototipos, machos, moldes de inyección para plásticos, electrodos de erosión,
etc., en menos de 24 horas a partir de un fichero CAD. Consecuencia de esta rapidez de respuesta, es
que el tiempo de desarrollo de un producto puede reducirse a la mitad, la quinta e incluso la décima
parte.
El prototipado rápido (RP por sus siglas inglesa de Rapid Prototipe) da la posibilidad de efectuar, en un
tiempo relativamente corto, diversas pruebas de geometrías distintas para una pieza, validar la
geometría definitiva, y acometer la producción en serie rápidamente, con unos costes de desarrollo lo
más ajustados posibles. La complejidad de las piezas o la confidencialidad de los prototipos son también
argumentos frecuentes a la hora de optar por el RP.
Dentro de la denominación de "prototipado rápido" no se suele incluir al Mecanizado de Alta Velocidad
(MAV) que, sin embargo, es una tecnología sustractiva para mecanizar piezas o moldes a altas
velocidades de arranque de viruta. El MAV se empieza a aplicar a piezas de acero tratado, lo que evita el
paso por la electroerosión. Mecanizando directamente del bloque hasta la pieza terminada, la reducción
de los tiempos de acabado y pulido puede llegar a un 90%.
Bajo el nombre de prototipado rápido se agrupan a una serie de tecnologías distintas de construcción de
sólidos. Todas ellas parten del corte en secciones horizontales paralelas de piezas representadas en
CAD. Estas secciones caracterizan a todas las tecnologías de prototipado rápido, que construyen las
formas sólidas a partir de la superposición de capas horizontales.
El software de CAD y la máquina de prototipado rápido se conectan a través de una interfaz de
información llamada formato STL (STereoLitography).
Conversión de Formatos
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El formato STL permite una aproximación de la forma de una parte o un ensamble completo utilizando
facetas triangulares. Entre más pequeñas sean dichas facetas, mayor será la calidad de la superficie.
A continuación vendrían las tecnologías conocidas como Fused Deposition Modeling (FDM) de la
empresa americana Stratasys, Solid Ground Curing (SGC) de la israelí Cubital e Laminated Object
Manufacturing (LOM), todas en 1991. La tecnología FDM hace una extrusión de filamentos de materiales
termoplásticos capa por capa, semejante a la estereolitografía, solo que utilizando un cabezal de fusión
del material en vez de un cabezal láser. SGC también trabaja con resina foto sensible a rayos UV, solo
que solidifica cada capa en una única operación a partir de la utilización de máscaras creadas con tinta
electrostática en una placa de vidrio. LOM solidifica y corta hojas de papel (actualmente hojas de
termoplásticos reforzados con fibras) usando un láser controlado por ordenador.
Proceso FDM.
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Proceso de Sintetizado por Laser SLS
Proceso LOM
En 1993, la americana Soligen comercializo el producto conocido por Direct Shell Production Casting
(DSPC), que utiliza un mecanismo de inyección de tinta para depositar líquido emulsionante en polvos
cerámicos para producir cascas que a su vez pueden ser utilizadas en la producción (de moldes y piezas
inyectadas en Al, proceso desarrollado y patentado por el MIT Massachussets Institute of Technology).
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Otras empresas que han desarrollado tecnologías de RP:
- ModelMaker de la empresa americana Sanders Prototype, usando sistema de inyección de cera
( ink-jet wax);
- Solid Center de la empresa japonesa Kira Corp., utilizando un sistema láser guiado y un plotter
XY para la producción de moldes y prototipos por laminación de papel.
- Sistema de estereolitografía de la empresa Fockele & Schwarze (Alemania);
- Sistema EOSINT, de la empresa alemana EOS, basado en sinterización.
- Sistema de estereolitografía de la empresa japonesa Ushio.
Ventajas y desventajas del prototipado rápido
Ventajas Desventajas
Disponibilidad inmediata del modelo físico Volumen de producción muy bajo
optimización del diseño Pobre variedad de materiales y propiedades mecánicas.
Identificación rápida de problemas por verificación del modelo en la etapa de desarrollo
Alto costo por unidad
Reduccion de costos y plazos Alto costo del equipo de prototípico
Disponibilidad de productos para marketing Tolerancias limitadas (según la tecnología usada)
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3.0 Generalidades del Proceso de Impresión 3D Impresión 3D es el proceso de generar objetos sólidos en tres dimensiones a partir de un modelo digital.
Esto es logrado mediante el uso de procesos aditivos, en los que el objeto es creado depositando
sucesivamente capas de material. La impresión 3D se diferencia de los procesos tradicionales de
maquinado (procesos sustractivos) que constan de la acción de remover material por medio de
taladrado, corte, etc.
La impresión 3D es usualmente realizada por una impresora de materiales utilizando tecnología digital.
Desde el inicio del siglo ha habido un gran incremento en las ventas de estas máquinas y su precio ha
caído substancialmente.
Esta tecnología es utilizada en los campos de joyería, calzado, diseño industrial, arquitectura, ingeniería
y construcción, industria automotriz, industria aeroespacial, industrias dental y médica, educación,
sistemas de información geográfica, ingeniería civil entre otras.
Terminología
La manufactura aditiva (AM) también conocida como impresión 3D está definido por la ASTM como el
“proceso de unión de materiales para generar objetos sólidos a partir de los datos del modelo 3D, por lo
general capa sobre capa, a diferencia de metodologías de fabricación sustractivos, tales como el
mecanizado tradicional”.
El término de manufactura aditiva describe las tecnologías que se pueden utilizar en cualquier lugar en
todo el ciclo de vida del producto, desde la pre-producción (es decir, prototipado rápido) a la producción
a gran escala (también conocida como la fabricación rápida) e incluso para aplicaciones de herramientas
de personalización o de post-producción.
En la industria manufacturera, especialmente en la de mecanizado, los métodos sustractivos a menudo
son primero. De hecho, el término de fabricación sustractiva es un retronimo desarrollado en los últimos
años para distinguir los métodos tradicionales, de las nuevas técnicas de manufactura aditiva. A pesar de
que la fabricación ha incluido métodos que son esencialmente "aditivos" durante siglos (como la unión
de planchas, láminas, forjados, laminados y el trabajo a través de remaches, tornillos, forja soldadura, o
nuevos tipos de soldadura), no se incluyó la definición de modelos basados en las tecnología de la
información, y la provincia de mecanizado (generando formas exactas con una alta precisión) que fue
general sustractivo.
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3.1 Impresión 3D mediante inyección de aglutinante en cama de polvo
Le impresión en polvo es una tecnología adicional que puede fabricar físicamente objetos a partir de
información digital.
Esta tecnología fue desarrollada en el MIT (Massachusetts Institute of Technology) y en 1995 la empresa
Z Corporation obtuvo una licencia exclusiva para la fabricación de equipo basado en esta tecnología.
Impresora Z650 ZCorporation
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3.2 Componentes de la maquina de impresión 3D
Interior de una impresora 3D con sus partes principales
A) Filtro de aire automático: se encarga de que todo el polvo permanezca en el interior de la
maquina emitiendo, únicamente aire limpio en la oficina o taller.
B) Cartucho de aglutinante: Contiene el adhesivo a base de agua que solidifica el polvo.
C) Cubeta de construcción: el área donde se crea el modelo.
D) Carro: se desplaza a lo largo del puente para colocar los cabezales de impresión.
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E) Compresor: genera aire comprimido para retirar el polvo de los modelos terminados.
F) Filtro de residuos: evita que entren residuos solidos en la tolva durante el reciclado de polvo
posterior a la impresión garantizando la limpieza de la siguiente impresión.
G) Caja de componentes electrónicos: procesador integrado que controla el funcionamiento de la
Zprinter.
H) Puente: barra horizontal que avanza y retrocede para generar las capas del modelo.
I) Tolva: contiene el polvo con el que se crea el modelo.
J) Deposito: recoge el aglutinante de los cartuchos y lo transfiere al puente.
K) Estación de mantenimiento: limpia automáticamente los cabezales de impresión cuando es
necesario.
L) Válvula de vacío: El cerebro del sistema de retirada de polvo, que aspira la cama de impresión,
controla el sistema de desbordamiento, retira el polvo de la estación de mantenimiento y aspira
el polvo del sistema para reintroducirlo en la tolva.
3.3 Descripción detallada del proceso Como en muchos procesos de prototipado rápido, la parte que va a ser construida esta hecha por
muchas secciones delgadas del modelo 3D. Un inyector (muy parecido al de una impresora
convencional) se mueve a través de la cama de polvo. Selectivamente se inyecta el líquido aglutinante
en la forma de la sección. Una capa fresca de polvo es después esparcida sobre el modelo y el proceso
se repite hasta terminar con todas las capas de la pieza a fabricar. Cuando el Modelo esta completo, el
polvo sin aglutinante que no esta adherido a nada, es removido automáticamente. La velocidad de
fabricación es de aproximadamente 1 pulgada vertical por hora. A esta tecnología se le refiere en
muuchas ocasiones como impresión 3D.
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Proceso de impresión
1. Cuando el usuario hace click en “3D Print”, la Zprint calienta y
rellena de material la cubeta de construcción y, si fuera necesario, alinea
automáticamente los cabezales de impresión.
2. Comienza el proceso de impresión. La impresora 3D Zprinter
comienza a impresión del modelo, esparciendo una capa de polvo
composite por todo el lecho de construcción de forma lisa y uniforme.
3. Es cartucho de impresión se desplaza por esta capa, aplicando
aglutinante (y las diferentes tintas si el modelo es a color) según el patrón
del primer corte transversal creado por el Zprint. El aglutinante solidifica el
polvo en la sección del modelo, dejando el resto del polvo para su reciclaje.
4. Después de cada capa el pistón de la cubeta de construcción
desciende, quedando preparado para la siguiente capa de polvo. Los pasos 2,3
y 4 se repiten hasta que se termina el modelo.
5. Una vez terminado, el modelo queda reposando en el polvo para su
curación. Al final del tiempo de curado la maquina aspira la mayoría del polvo
sobrante y lo recicla para su uso en la futuras impresiones.
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6. Una vez impreso el modelo debe proceder a infiltrarlo para conseguir una mejor consistencia y
durabilidad. Dispone de una variedad de opciones de infiltrantes según sus necesidades. Entre
las opciones se incluye agua para las aplicaciones básicas como modelo de formas, Z-Bond para
modelos de carácter general, e-poxy Z-max para prototipos funcionales o piezas reales. Y tp500
infiltrante especialmente diseñado para piezas color blanco. Los prototipos basados en Z-max se
han utilizado como piezas de producción en operaciones roboticas subacuáticas, como piezas
mecánicas en piezas de calzado, y como piezas automáticas funcionales en partes de motores en
funcionamiento.
3.4 Tipos de software utilizados en la impresión 3D
La primera fase en la protipacion rápida es tener un modelo 3D en formato con extensión STL. Existe una
infinidad de software de modelado 3D que se podría usar con este propósito, entre los más comunes
están:
CATIA:
Es un programa informático de diseño,
fabricación e ingeniería asistida por
computadora comercial realizado por
Dassault Systèmes. El programa está
desarrollado para proporcionar apoyo
desde la concepción del diseño hasta la
producción y el análisis de productos.
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SolidWorks:
Es un programa de diseño asistido por
computadora para modelado mecánico
desarrollado en la actualidad por
SolidWorks Corp., una subsidiaria de
Dassault Systèmes, para el sistema
operativo Microsoft Windows. Es un
modelador de sólidos paramétrico. Fue
introducido en el mercado en 1995 para
competir con otros programas CAD
como Pro/ENGINEER, NX, Solid Edge,
CATIA, y Autodesk Mechanical Desktop.
Autodesk Inventor:
Es un paquete de modelado paramétrico de
sólidos en 3D producido por la empresa de
software Autodesk. Compite con otros
programas de diseño asistido por
computadora como SolidWorks,
Pro/ENGINEER, CATIA y Solid Edge. Entró en
el mercado en 1999, muchos años después
que los antes mencionados y se agregó a las
Series de Diseño Mecánico de Autodesk
como una respuesta de la empresa a la creciente migración de su base de clientes de diseño mecánico
en dos dimensiones hacia la competencia, permitiendo que los computadoras personales ordinarias
puedan construir y probar montajes de modelos extensos y complejos.
Todos estos software permiten la exportación del modelo 3D al formato STL necesario para el siguiente
paso de la impresión 3D. Cabe destacar que la facultad de ingeniería mecánica y eléctrica de la UANL
posee licencias del software solid Works en sus laboratorios de diseño.
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La siguiente fase de la impresión 3D es importar el modelo tridimensional STL en el software de la
impresora. El software usado es el ZPrint. El Zprint sirve para seccionar el modelo 3D automáticamente e
importarlo a la impresora 3D la cual lo convertirá en un modelo físico.
Un software adicional a este es el Zedit, el cual sirve para editar nuestros modelos 3D. Por ejemplo en el
software Zedit se pueden añadir fixtures o etiquetas entre varias otras cosas.
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3.5 Tolerancias dé la impresión 3D
La tecnología de impresión 3D con la impresora Zcorp, es una de las tecnologías mas rápidas del
mercado. Llega a superar a otras tecnologías en ahorro de tiempo de hasta 10 veces menor. La Z510
(impresora 3D con la que se cuenta en el laboratorio de prototipos rápidos) imprime hasta 2 capas de
material por minuto.
A continuación las especificaciones técnicas más importantes de la ZCorp 510:
Velocidad de impresión: 2 capas por minuto
Tamaño máximo de construcción: 10in x 14in x 8in (254mm x 356mm x 203mm)
Grosor de las capas: de 0.0035in a 0.008in (.089mm a .203mm)
Opciones de material: Compuesto de alto rendimiento, elastómero, o vaciado directo.
Resolución: 600 x 540 dpi
Numero de cabezales de impresión: 4
Dimensiones del equipo: 42in x 31in x 50in (107cm x 79cm x 127cm)
Peso del equipo: 450lb (204 kg)
Sistemas de Software: Z Corporation’s proprietary software accepts solid models in STL, VRML
PLY, and 3DS file formats as input. ZPrint™ software features 3D viewing, text labeling, and
scaling functionality. The software runs on Microsoft Windows* NT, 2000 Professional, XP
Professional and Vista.
En la práctica nuestros profesores nos han comentado que siempre hay que evitar hacer partes o bordes
en las piezas donde el grosor sea menor a 3mm. Ya que en la practica se ha observado que estas áreas
se fracturas fácilmente, o ni siquiera sobreviven al proceso de impresión.
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3.6 Materiales
3.6.1 Polvos
3D Systems ofrece diversos sistemas en composites/aglutinantes/infiltrantes, para satisfacer diferentes
necesidades. Entre ellos se encuentran composites de alto rendimiento, para la impresión de piezas
sólidas en alta definición. Para proporcionar mayor flexibilidad, los modelos impresos con los materiales
se pueden lijar, perforar, taladrar, pintar y galvanizar.
Compuestos de alto rendimiento zp150 es la mejor línea de polvos de impresora que maneja la marca
Zcorp. Entre las principales ventajas están:
Piezas más sólidas
Mejor resolución
Blancos más blancos
Excelente precisión del color
Bajo coste por pieza impresa
Comparación de piezas hechas en el nuevo polvo de alto rendimiento zp150 frente a su antigua versión
el zp131.
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3.6.2 Aglutinantes
Las impresoras 3D utilizan diferentes tipos de "tinta" según el tipo de composite que vayan a utilizar. De
este modo, existen aglomerantes con distintos nombres comerciales (zb59, zb58, zb56,...) que tienen
una mezcla adecuada para trabajar con los distintos tipos de composite. Sin embargo, la característica
principal que distingue a estas tintas es el color.
Aglomerante monocromo. Se utiliza en las impresoras monocromas. Permite obtener piezas de un sólo
color (blanco yeso). Existen variaciones que permiten obtener piezas de otro color, pero siempre un
color único: Gris, Cian, Magenta o Amarillo.
Aglomerante en color (Cian, Magenta, Amarillo y Transparente). Es el conjunto de aglomerantes que se
utilizan para producir piezas a todo color. Las tintas se mezclan como si de una impresora de chorro de
tinta en color se tratara para obtener un amplio espectro de colores.
ZB51:
Aglutinante transparente ideal para realizar modelos
Flexibles. Es compatible con el polvo zp15e y la línea de impresoras
3D spectrum de Zcorp.
ZB60:
Aglutinante transparente para modelos rígidos. Es compatible con
Los polvos zp150 y la línea de impresoras Spectrum de Zcorp.
Garrafa de aglutinante
Para a impresión a color se necesita usar una línea especial de
cartuchos denominados Zb61. Vienen en una gran variedad de colores
por ejemplo: amarillo negro y magenta. Mediante la combinación de
estos 3 colores la impresora puede formar muchos mas.
Cartucho de tinta para impresión a color
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3.6.3 Infiltrantes
4.0 Proveedores de equipos
La tecnología de impresión 3D por inyección de aglutinante sobre cama de polvo es exclusiva de la
empresa ZCorp y es la única con los derechos legales para producir maquinaria de estas características.
De cualquier modo existen otros tipos de impresoras 3D las cuales son una seria competencia para esta
empresa y su tecnología.
A Continuación los principales proveedores de impresoras 3D con sus respectivos modelos:
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4.1 Descripcion especifica de modelos de otras marcas
4.1.1 Solid escape 076 plus
The D76PLUS 3D printer
is the flagship of Solidscape's
new preXacto™ product line. It is
targeted at medium size dental
laboratories and is used to
produce high quality castable
and pressable restorations.
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4.1.2 Solid escape R66 plus
The R66PLUS is the entry to
Solidscape's point BenchMark™
Series of 3D printers. Targeted at
the progressive custom retail
jeweler, the R66PLUS is capable
of producing high-quality, fully
castable wax masters for your
most intricate fine jewelry
designs. And with new SCP™
technology, the R66PLUS is truly
the jeweler's benchmark for
quality.
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4.1.3 Objet24
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4.1.4 Objet 260
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5.0 Detalles del diseño
A continuación se proponen una seria de mejoras para la maquina de prototipado rápido ZCorp 510, la
cual es una impresora 3D basada en tecnología de aglutinante sobre cama de polvo.
Una de las principales mejoras es una tapa de vidrio que permita observar mejor el funcionamiento de la
maquina, parte de esta mejora con fines meramente estéticos.
5.1 Armazon
Las medidas generales de la maquina son
muy parecidas a las de la maquina
original a excepción de la altura la cual
aumento de 127 cm a 150cm.
Vista isométrica de la impresora propuesta.
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Vista frontal
Vista isométrica aérea
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Vista lateral
Vista interna
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Panel de control
Se decidio que el panel de control no debería tener mas botones mas que el de un simple arranque
paro, por que todo será controlado por software. Esto también permite hacer ahorros importantes en
material y procesos de manufactura. Ademas que le da mas simplicidad a la maquina.
5.2 Mecanismo
Vista con todos los componentes
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Vista lateral seccionada.
En esta vista se puede ver de manera mas clara la mejora propuesta. La maquina originalmente funciona
mediante bandas dentadas que son movidas por motores a pasos. Nuestra mejora propone cambiar
todas esas bandas por tornillos sinfines conectados al cabeza y a los motores a pasos.
Vista isométrica sin cubierta.
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Vista Frontal
En Esta imagen se puede apreciar el sinfín que mueve a todo el cabezal en dirección de izquierda a
derecha. Por supuesto habrá ventajas y desventajas de esta remodelación. Pero esta tiene el objetivo de
convertirla en una maquina de precisión sacrificando la velocidad. Nosotros calculamos que la precisión
de los cabezales podría aumentar hasta 5 veces.
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Detalle de la caja de construccion
5.3 Medidas y diemensiones de la maquina
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6.0 Referencias http://www.bitsenimagen.com/101-que-es-la-impresion-en-3d-y-como-funciona http://www.taringa.net/posts/noticias/102990/Y-esto-_-Impresoras-3D.html http://www.pruebayerror.net/2011/02/bio-impresoras-3d-imprimiran-piel-y-partes-del-cuerpo-humano/ http://www.ikkaro.com/como-funcionan-armas http://www.slideshare.net/jvelasquezc/tecnologia-para-el-prototipado-rapido-impresoras-3d http://www.jogarplastics.com/prototiposrapidos.html?3e3ea140 http://www.zcorp.com/es/Products/3D-Printers/Advantages-of-3D-Printing/spage.aspx