Impresora 3D para Figuras Geométricas

REPORTE DE ESTANCIA I

INGENIERÍA EN MECATRÓNICA

PRESENTA

Luna Cárdenas José Gabriel

El Marqués, Querétaro AGOSTO 2015

Resumen

En el presente proyecto se realizó la investigación parala elaboración de una

impresora 3D, con materiales accesibles la cual tiene como finalidad de imprimir

figuras sencillas en esta caso figuras geométricas, por medio de una pistola de

silicón la cual será el material de fundición utilizado para dicha impresión, los

materiales que se utilizaron para la elaboración de la impresora fueron tornillos sin

fin, motores a pasos bipolares, así como sus respectivos drivers, la tarjeta

RAMPS la cual se monta sobre la tarjeta de Arduino Mega, que son utilizadas

para la programación de los motores de los ejes( X Y Z ) de la estructura de la

impresora.

Abstract

In the current project we have done an investigation to build a 3D printer with

materials easy to get, this project has as an objective to print basic figures in this

case geometric figures, by the use of a silicon extruder, this material is used for

printing tasks, the materials that have been used to build the printer are endless,

bipolar step motors and it’s drivers, the control board used is the RAMPS the one

that is mounted in the Arduino Mega 2056 that are used for the axis motors

programing (X Y Z)of the printer structure.

2

Índice

Índice de Figuras

Figura 2.1 -----------------------------------------------------------------------------------pág.9

Figura 2.2 -----------------------------------------------------------------------------------pág.10

Figura 2.3 -----------------------------------------------------------------------------------pág.11

Figura 2.4 -----------------------------------------------------------------------------------pág.11

Figura 2.5 -----------------------------------------------------------------------------------pág.12

Figura 2.6 -----------------------------------------------------------------------------------pág.13

Figura 2.7 -----------------------------------------------------------------------------------pág.14

Figura 2.8 -----------------------------------------------------------------------------------pág.15

Figura 3.1 -----------------------------------------------------------------------------------pág.17

Figura 3.2 -----------------------------------------------------------------------------------pág.18

Figura 4.1 -----------------------------------------------------------------------------------pág.20

Figura 4.2 -----------------------------------------------------------------------------------pág.21

Figura 4.3 -----------------------------------------------------------------------------------pág.21

Figura 4.5 -----------------------------------------------------------------------------------pág.22

Figura 4.6 -----------------------------------------------------------------------------------pág.23

Figura 4.7 -----------------------------------------------------------------------------------pág.25

Figura 4.8 -----------------------------------------------------------------------------------pág.26

Figura 4.9 -----------------------------------------------------------------------------------pág.27

3

CAPÍTULO I

INTRODUCCIÓN

Capitulo l

Introducción

Una impresora 3D es una máquina capaz de realizar "impresiones" de diseñosen 3D, creando piezas o maquetas volumétricas a partir de un diseño hecho porordenador. Surgen con la idea de convertir archivos de 2D en prototipos reales o3D. Comúnmente se ha utilizado en la matricera o la prefabricación de piezas ocomponentes, en sectores como la arquitectura y el diseño industrial. En laactualidad se está extendiendo su uso en la fabricación de prótesis médicas, yaque la impresión 3D permite adaptar cada pieza fabricada a las característicasexactas de cada paciente.

A continuación se muestra el proceso para elaborar e implementar una impresora3d para figuras geometrías, como el diseño de la misma así como loscomponentes necesarios para su diseño tales como programación de motores yprogramación de extrusor también se presenta una breve investigación sobre losdiferentes tipos de diseños de impresoras 3d así como su aplicación y finalmenteel diseño seleccionado para su elaboración.

1.1 Misión.

Somos una institución pública de educación superior que genera y difunde

conocimiento, aporta capital humano como agente de cambio, coopera al

desarrollo social, productivo, económico y tecnológico e impulsa la competitividad

en un contexto global que contribuye al bienestar y desarrollo armónico del alumno

y la sociedad, mediante la formación profesional integral, a través de un modelo

educativo pertinente basado en competencias, centrado en el aprendizaje,

vinculado al sector productivo con un equipo humano altamente capacitado y

comprometido con la institución y su vocación de servicio.[1]

1.2 Visión.

Aspiramos a ser, para el año 2025, la mejor opción educativa en el estado de

Querétaro, distinguiéndonos por el éxito en la satisfacción de las expectativas de

nuestros alumnos, el liderazgo en el desempeño institucional, la vivencia de

nuestros valores, la calidad educativa, la aportación al campo del conocimiento y

al desarrollo tecnológico, con los mejores resultados en el Subsistema de

Universidades Politécnicas y el reconocimiento en el sistema educativo nacional

de servicio.[1]

1.3 Objetivos de calidad.Brindar servicios académicos y administrativos que logren la satisfacción de los

alumnos, del personal y la sociedad.

Participación del personal en la mejora continúa de los procesos académicos y

administrativos.[1]

1.4Antecedentes de la impresora 3DEsta tecnología se emplea para crear un objeto 3D a partir de una imagen y

permite a los usuarios probar un diseño antes de invertir en un programa mucho

más grande de producción. En 1984, Charles Hull, fundador de 3D Sistemas,

inventó la estereolitografía, un proceso de impresión que da como resultado

objetos 3D tangibles creados a partir de información digital, estos depositan el

material 3D en capas sucesivas para crear un objeto físico a partir de un archivo

digital. Las impresoras 3D funcionan como las impresoras de inyección de tinta.

CAPÍTULO II

MARCO TEÓRICO

Capitulo ll

Marco Teórico

2.1 Impresora 3D

Una impresora 3D es un dispositivo capaz de generar un objeto sólido

tridimensional mediante (y ahí radica la principal diferencia con los sistemas de

producción tradicionales) la adición de material. Los métodos de producción

tradicionales son sustractivos, es decir, generan formas a partir de la eliminación

de exceso de material. Las impresoras 3D se basan en modelos 3D para definir

qué se va a imprimir. Un modelo no es, si no la representación digital de lo que

vamos a imprimir mediante algún software de modelado. [2]

2.2 TIPOS DE IMPRESORAS

2.2.1 Impresoras 3D por Estereolitografía (SLA)Consiste en la aplicación de un haz de luz ultravioleta a una resina líquida

(contenida en un cubo) sensible a la luz. La luz UV va solidificando la resina capa

por capa. La base que soporta la estructura se desplaza hacia abajo para que la

luz vuelva a ejercer su acción sobre el nuevo baño, así hasta que el objeto

alcance la forma deseada.

Con este método se consiguen piezas de altísima calidad, aunque, por sacar un

inconveniente, se desperdicia cierta cantidad de material en función del soporte

que sea necesario fabricar. [3]

Fig. 2.1 impresora por Estereolitografía[4]

2.2.2 Impresoras 3D de Sinterización Selectiva por Láser (SLS)

También conocido en inglés como Selective Laser Sintering (SLS), esta

tecnología se nutre del láser para imprimir los objetos en 3D.

Nació en los años 80, y pese a tener ciertas similitudes con la tecnología SLA,

ésta permite utilizar un gran número de materiales en polvo (cerámica, cristal,

nylon, poliestireno, etc.). El láser impacta en el polvo, funde el material y se

solidifica. Todo el material que no se utiliza se almacena en el mismo lugar donde

inició la impresión por lo que, no se desperdicia nada.[3]

Fig. 2.2 impresora por Sinterización Selectiva por Láser[5]

2.2.3 Impresoras 3D por InyecciónEste es el sistema de impresión 3D más parecido a una impresora habitual (de

tinta en folio), pero en lugar de inyectar gotas de tinta en el papel, inyectan capas

de fotopolímero líquido que se pueden curar en la bandeja de construcción.[3]

Fig. 2.3 impresora por Inyección [6]

2.2.4Impresión por deposición de material fundido (FDM)

También conocida por FFF (Fused Filament Fabrication, término registrado por

Stratasys), la técnica aditiva del modelado por deposición fundida es una

tecnología que consiste en depositar polímero fundido sobre una base plana, capa

a capa. El material, que inicialmente se encuentra en estado sólido almacenado en

rollos, se funde y es expulsado por la boquilla en minúsculos hilos que se van

solidificando conforme van tomando la forma de cada capa.[3]

Fig 2.4 impresora por deposición de material fundido [7]

2.3 Sistemas de control

Dentro de los sistemas de control más populares se encuentran los siguientes.

2.3.1SANGUINOLOLU

Sanguinololu es una solución electrónica todo en uno, de bajo costo para RepRap

y otros dispositivos CNC. Presenta un clon de sanguino a bordo utilizando el

ATMEGA644P aunque un ATMEGA1284 puede ser fácilmente usado. Sus cuatro

ejes son accionados por un controlador de pasos con pines compatibles con un

Pololu.

La tarjeta cuenta con un amigable puerto de expansión para desarrollo que

soporta I2C, SPI, UART, así como también unos pocos pines ADC. Todas los 14

pines de expansión pueden ser utilizados también como GPIO (General Purpose

Input Output - entradas y salidas de propósito general).

La tarjeta está diseñada para ser flexible a la disponibilidad de fuentes de poder de

usuario, aceptando fuentes de poder (PSU) ATX para alimentar la tarjeta o

instalándole un kit de regulación de voltaje para ser utilizado con cualquier fuente

de poder desde 7 a 30 V.

Fig. 2.5 Tarjeta de control Sanguinololu.

Esta tarjeta cuenta con las siguientes características:

Capaz de controlar 1 motor para el extrusor y 3 para cada eje de la

impresora.

Admite 3 sensores de fin de carrera, 1 para cada eje.

Capaz de controlar 3 ventiladores.

2.3.2 Gen7 (generation 7 electronics)

Esta es una tarjeta electrónica controladora diseñada para ser un “hágalo usted

mismo”, a pesar de ser una placa muy simple cumple con las funciones necesarias

para llevar a cabo una impresión satisfactoria, esta tarjeta tiene como CPU un

microcontrolador Atmega644 o Atmega1284P, sus cuatro ejes son accionados al

igual que en la placa anterior, por controladores compatibles con pololu, en la

figura 4.x se muestra una imagen de la tarjeta controladora.

Fig. 2.6 tarjeta de control gen7

Esta tarjeta cuanta con las siguientes características:

Capaz de controla un motor para un extrusor y 3 para cada eje de la

impresora.

Admite 3 sensores de fin de carrera.

Incapaz de controlar algún ventilador.

2.3.3 RAMPSA diferencia de las placas anteriores esta es una placa shield o escudo para ser

utilizada en conjunto con Arduino mega 2560 ya que carece meramente de un

microcontrolador. El diseño incluye espacios de conexión rápida para los

controladores pololu de los motores a pasos para fácil servicio.

Esta es la solución más popular dentro de las más baratas gracias a su

compatibilidad con diversos firmwares para control de impresoras 3d. en la fig. 4.x

se muestra una imagen del sistema.

Fig. 2.7 tarjeta shield RAMPS [8]

Esta tarjeta cuanta con las siguientes características:

Capaz de controlar hasta 6 motores ( 2 extrusores, 2 eje Z y 1 para el resto

de los ejes)

Admite hasta 6 sensores de fin de carrera, 2 para cada eje,

Capacidad para controlar hasta 3 ventiladores

Esta fue la opción seleccionada para el control de la impresora 3D.

2.3.4 Controlador para motor a pasos A4988

Este es un controlador de micro-pasos de motor a pasos, se muestra una imagen

del controlador en la fig. 2.8

Fig. 2.8 Controlador de motor a pasos pololu.[8]

Las características de este controlador son las siguientes.

Control para motores a paso únicamente bipolares.

Hasta 2A de corriente para cada bobina con disipador y ventilación.

ofrece una interfaz paso - dirección lo cual facilita el control del motor.

Capaz de dividir un paso en micro pasos de hasta 1/16 para mayor

resolución.

CAPÍTULO III

DEFINICIÓN DEL

PROYECTO

Capitulo lll

3.1 JustificaciónDiseñar y construir una impresora 3D que integre los conocimientos adquiridos

durante nuestra estancia en la carrera de mecatrónica, sea capaz de imprimir

figuras geométricas por medio de la inyección de silicón.

3.2 ObjetivoDiseñar y construir una impresora 3D para figuras geométricas.

3.3 Objetivos específicos Diseño en Solidworks

Construcción de la mesa X, Y, Z

Programación de los Motores

3.4 Cronograma de actividadesA continuación se presentara el cronograma de actividades para realizar el

proyecto, con ayuda del software Project Professional, el cual es una herramienta

útil para realizar formatos del tipo diagrama de Gantt.

Fig 3.1 Ruta crítica de la impresora en Project

Fig. 3.2 Cronograma de actividades para la impresora 3D

CAPÍTULO IV

DESARROLLO DEL

PROYECTO

Capitulo lV

4.1 Desarrollo de las actividadesComo primer paso se comenzó con la investigación de las diferentes impresoras

3D existentes, así como los diferentes tipos de materiales utilizados para la

impresión de cada una de ellas, al tener el conocimiento del funcionamiento de las

impresoras se partió a decidir cuál sería el prototipo para realizar el diseño de la

impresora 3D.

Fig. 4.1 Diseño base para la impresora

En la imagen 4.1 se puede apreciar la propuesta para poder construir la impresora

3D, la cual es muy similar a la configuración de un robot cartesiano (X, Y, Z).

A partir de tener la propuesta se comenzó con la realización de del modelo

mecánico con la ayuda del Software CAD Solid Works 2014.

A continuación se mostraran algunas de las imágenes del diseño elaborado en

Solid Works.

A la par que se comenzó con la elaboración del diseño en Solid Works se llevó a

cabo la realización de los proyectos independientes, como lo son, el diseño en

CAM, la programación de motores, la construcción de la mesa X, Y, Z y la

programación de la inyección de plástico.

4.1.1 Diseño en CAMEn la parte del diseño mecánico se procedió a la utilización del software de Solid

Works con el cual se diseñó la estructura la cual es la base para la elaboración en

físico de la mesa (X, Y, Z).

A continuación se puede observar el diseño elaborado en Solid Works

Fig. 4.2 Estructura de la impresora en Solid Works

En la imagen 4.2 se puede observar la estructura de la impresora 3D en la cual se

encuentran implementados los Ejes X y Y, la cual se encargara de los movimientos

con respecto a los ejes.

Fig. 4.3Estructura en Solid Works

En la imagen 4.3 se puede observar de una manera más clara el diseño de la

impresora 3D en el cual se basara la construcción del prototipo físico.

4.1.2 Construcción de la mesa (X, Y, Z)

El resultado de la construcción de la mesa es para los ejes X y Y es la siguiente

Fig. 4.4 mesa X yY

En la imagen 4.1 se puede observar una parte de la estructura de la impresora 3D

en la cual se pude contemplar el montaje de los Ejes X y Y , en la cual está

montada la mesa de trabajo de la impresora la cual realizara los movimientos de

X y Y

A continuacion se muestra el montaje del eje Z en la impresora el cual es el

siguiente:

Fig.4.5 implementación del eje Z

El resultado final del ensamblaje de la impresora 3D es el siguiente, el cual da

parte como el resultado de la estructura final

Fig.4.6 impresora 3D estructura final.

4.2 Programación de inyección de plásticoEsta etapa consiste en la selección y programación de la inyección del material a

utilizar para la impresión.

El material que se decidió a utilizar fue silicón por medio de una pistola de silicón,

para hacer la inyección del material se utilizaría un motor a pasos para hacer el

sistema de extrusión del material, el cual se programó con ayuda de Arduino Uno,

creando una secuencia de avanza para el motor de extrusor.

4.3.1 Programación de los motoresEsta etapa consiste en la programación de los motores en los cuales generan

el movimiento del sistema, para poder realizar la programación se utilizara la

tarjeta de Arduino Mega, así como la tarjeta RAMP’S 1.4 y los controladores

A4988.

Para continuar con la programación de los motores se ultilizo el firmware de

Marlin, los cuales están dedicados al control de las impresoras 3D así como el

software de Repetir host. [9]

4.3.2 FirmwareEl firmware a utilizar es Marlin, este firmware sirve como intérprete de código G y

dentro del código de programación se encuentran las diferentes pestañas de

configuraciones, este es el más popular debido a sus características de seguridad

contra el sobrecalentamiento.

A continuación se muestran imágenes de los aspectos importantes del entorno de

programación con el firmware cargado.

Fig. 4.7 configuración de la tarjeta

En esta pestaña se muestra la lista de selección de nuestra tarjeta, una vez

identificada se cambian el valor en la línea donde está escrito MOTHERBOARD.

Otros valores a configurar antes de cargar el firmware, son los que se muestran en

la fig. 4.7, el primero va a delimitar el área de impresión, y el segundo va a

configurar los pasos que deben de dar los motores para moverse una unidad.[9]

Fig. 4.8 Configuración de avance por paso de motor

Básicamente estos son los aspectos más importantes por modificar en el firmware.

Mientas que en la parte del software que se utilizo fue el Repetir host del cual se

hablara a continuación para comprender su funcionamiento.

4.3.3 Repetir hostRepetir host es un entorno grafico en el cual se puede cargar un archivo de diseño

y cargarlo directamente al programa, este se encargara de crear el código G que

será enviado al Arduino para generar el movimiento. Una imagen referente al

entorno grafico se muestra en la fig. 4.9 [9]

Fig. 4.9 ventana principal de Repetier host.

En la imagen anterior se muestra un espacio en el cual el modelo es visualizado,

aquí se puede observar incluso el avance en tiempo real de la impresión.

4.4 Análisis de los resultados

Los resultados obtenidos durante el proceso no fueron los esperados ya que entre

los equipos de trabajo la parte de la estructura estaba con muchos defectos de

manufactura ya que los al momento de probar los motores los ejes X y Y no

contaban con un movimiento libro ocasionando que los motores se forzaran.

Por otra parte el eje Z quedo inconcluso ya que en este eje era donde se colocaría

el extrusor de la impresora y por ese motivo no se pudo colocar a tiempo, además

el tornillo sin fin para sostener el eje Z se desprendió del motor accionando

pérdidas de tiempo muy importantes para realizar las pruebas con los motores.

De igual manera los encargados de la estructura se tomaron mucho tiempo en

colocar el eje Z provocando que el equipo del extrusor no concluyera con su labor

y solo obtuvieron la programación del mismo pero no se pudieron realizar pruebas

para verificar su funcionamiento.

La impresora 3D que inconcluso debido al mal manejo de los tiempos por parte de

algunos equipos de trabajo, además la estructura tenía muchos defectos que se

tuvieron que corregir. Para que los motores pudieran trabajar.

CAPÍTULO V

Conclusión

Capitulo V

5.1 Conclusión

Como resultado de la investigación del diseño e implementación de una impresora

3D se puede concluir que para lograr un buen resultado es necesario un buen

diseño mecánico ya que este facilita por completo el control y lo hace un poco más

fácil. Por otra parte se debe considerar la responsabilidad de cada uno de los

integrantes ya que tiene una labor en común para la elaboración del diseño final y

si un equipo falla el resto estará afectado ya que es un trabajo en conjunto y

algunos de los compañeros no cumplieron con su responsabilidad en los

pequeños proyectos. Por otro lado este proyecto brido una mejor perspectiva

sobre el trabajo en equipo ya de esta manera logramos comprender que la

comunicación es muy importante para lograr un objetivo. En nuestro caso el

control de los motores se logró satisfactoriamente ya que se realizó una rutina con

los motores de los ejes X,Y y Z.

5.2 CONCLUSIÓN PERSONAL

Para mi el desarrollo de este proyecto es una gran experiencia, ya que sin duda

alguna, es una excelente manera para aplicar los conocimientos adquiridos a

lo largo de nuestro primer ciclo de formación, además que hemos aprendido a

trabajar en equipo, aunque con dificultades, pero creo que con lo que aporto

cada integrante de cada célula de equipo, fue muy basto.

Además también, creo que a cada integrante nos sirvió mucho y tuvimos una

visión más amplia acerca de esta tecnología de impresión 3D, sin duda alguna me

llevo una gran experiencia y despertó al menos en mi, el deseo de construir mi

propia impresora 3D, ahora bien, gracias a la experiencia que adquirí, creo que

tengo ya los conocimientos bastos y suficientes.

Bibliografía

[1] Universidad Politécnica de Querétaro. (s.f.). Recuperado el 26 de 06 de 2015,de http://www.upq.mx/acerca-de-la-universidad

[2] Impresoras . (s.f.). Recuperado el 26 de 06 de 2015, dehttp://www.3dimpresoras3d.com/que-es-una-impresora-3d/

[3] Impresoras 3D. (s.f.). Recuperado el 22 de 06 de 2015, dehttp://www.impresoras-3d.info/funcionamiento-y-tipos-de-impresoras-3d/

[4] Recuperado el 22 de 07 de 2015, de

http://www.catalogodiseno.com/2013/06/04/impesora-3d-trimaker/

[5] Alarcón, M. A. (09 de 07 de 2014). impresoras3d. Recuperado el 22 de 07 de2015, de http://impresoras3d.com/open-sls-impresora-3d-de-codigo-abierto-sls/

[6] Impresoras.net. (07 de 01 de 2015). Recuperado el 22 de 07 de 2015, dehttp://www.interempresas.net/Plastico/Articulos/130476-La-impresion-3D-con-triple-inyeccion-progresa.html

[7] Recuperado el 23 de 07 de 2015, de http://foros.3dgames.com.ar/electronica-robotica-hobby-and-rc.504/846653.hace-tu-impresion-3d-y-hasta-compra-tu-impresora-3d-precio.html

[8] Rezwanislam's Blog. (s.f.). Recuperado el 23 de 07 de 2015, dehttps://rezwanislam.wordpress.com/tag/3d-printing/

[9] Instructables.com. (s.f.). Recuperado el 23 de 07 de 2015, de

http://www.instructables.com/id/eWaste-60-3DPrinter/