FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA IMPRESORA 3D MEDIANTE FOTO-SOLIDIFICACIÓN.

Presentado por:

Julián Ramírez Arango

Profesor asesor:

Jonathan Camargo Leyva.

Bogotá, Diciembre de 2015

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INTRODUCCIÓN La fabricación de objetos tridimensionales ha sido tradicionalmente una labor meramente industrial, que requería equipos, materiales y/o procedimientos costosos. Sin embargo, las recientes tecnologías de fabricación aditiva (impresión 3D), han llevado esta posibilidad a las masas, mediante la reducción del costo de las impresoras y su material base. Estos avances, además de permitir la reducción de su costo, han permitido desarrollar soluciones tecnológicas avanzadas, como la bioimpresión de tejidos y órganos (Unocero, 2013) , la impresión de metales o materiales compuestos (3D printing, 2015), y la impresión de comida (Nasa, 2013). La aproximación tradicional de los equipos de bajo costo se ha dado mediante el modelado por deposición fundida (MDF), que permiten generar modelos a precios reducidos, sin embargo, esta no presenta buena precisión y sus acabados superficiales no son de buena calidad. Por otro lado, existe la estereolitografía (SLA) que se destaca por sus acabados superficiales de muy alta calidad (25-200micrones) sin sacrificar tiempo de impresión, sin embargo, esta tecnología es más costosa. El desarrollo de estas tecnologías ha cogido mucha fuerza en los últimos años, en especial en los países desarrollados. Por el contrario en los países en desarrollo este es reciente como es el caso de Colombia, debido a que las empresas se limitan a importar las maquinas, ya sea para su venta, como Print3D (Print3D, 2015), o préstamo de servicios de impresión, como Protolab (ProtoLab, 2015) o Auros Copias S.A (Auros Copias, 2015). Igualmente, hay empresas que ofrecen el servicio de impresión para usos médicos como Osteophonix (Osteophoenix, 2015) y DME (DME, 2015). Por otro lado, las universidades de Colombia han desarrollado algunos proyectos en su mayoría de manera educativa, donde se busca mostrar el funcionamiento de las nuevas tecnologías. Así mismo, hay universidades que han aportado al desarrollo, como es el caso de la Universidad Nacional, la cual cuenta con equipos donados por IMOCON S.A. para la fabricación de prototipos (Universidad Nacional de Colombia, 2014), la Universidad de Cali, que ha desarrollado proyectos sociales como “en marcha” y la Universidad de los Andes, donde se desarrolló una impresora para prototipado en escalas nanométricas. La estereolitografía es una de las tecnologías de impresión de mayor desarrollo en los últimos 4 años, donde se ha logrado reducir el costo de las máquinas a menos de 10 veces su valor, gracias a los desarrollos de nuevas y más baratas tecnologías, manteniendo aún su acabado superficial y su excelente resolución. Donde se han generado más avances en la estereolitografía ha sido en los equipos Carbon 3D, donde mediante el uso de una membrana de oxigeno se puede producir una impresión continua, permitiendo impresiones mucho más rápidas y con propiedades homogéneas. Las impresoras de estereolitografía por lo general se encuentran en un rango de precios superiores a 3000 dólares, lo que ha obligado a muchos usuarios a conformarse con alguna de las impresoras MDF, donde los precios están en el rango de 350 a 3000 dólares. Proyecto Como respuesta a la problemática actual de las empresas y universidades que quieren

utilizar máquinas de impresión en 3D, pero que no lo hacen debido a sus altos costos, nace la idea de crear un proyecto que se logre producir un prototipo en mira a crear un producto

que pueda ser adquirido con bastante facilidad y que sobre todo produzca resultados de alta

calidad.

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Durante este proyecto se investigó el funcionamiento de la estereolitografía, para diseñar y construir un modelo conceptual de una impresora de foto-solidificación. Se realizaron los cálculos estructurales, dinámicos, y de selección de materiales y componentes. Posteriormente se procedió a la manufactura y construcción de la impresora, para lo cual fue necesario la importación de los componentes electrónicos y motores. Paralelamente se configuro el sistema de control de la impresora, para que en momento de terminar la construcción se pudiera realizar pruebas de calibración de los sistemas de movimiento y curado de la resina. En el proyecto se buscó que sus costos estuvieran por debajo de los precios del mercado. OBJETIVO Diseñar conceptualmente, especificar y construir una máquina de estereolitografía. OBJETIVOS ESPECIFICOS

Plantear del diseño conceptual, donde se seleccionara que método de foto-solidificación y que sistema de movimiento se utilizará. Se generará imágenes CAD del diseño.

Diseñar y especificar el sistema de foto-solidificación. Diseñar y especificar el tanque en base al sistema de foto-solidificación y el tipo de

resina a utilizar, buscando que el mismo pueda llegar permitir la permeabilidad de aire en su superficie en miras a la impresión continua.

Cotizar y manufacturar la impresora. Calibrar la impresora, mediante la realización de pruebas que permitan determinar

la resolución y exactitud de la impresión. Determinar la viabilidad de la impresión continua en la máquina. Desarrollar una guía paso a paso para la construcción de la impresora.

MARCO TEÓRICO Impresión 3D La impresión 3D es un grupo de tecnologías de fabricación por adición que permiten generar objetos tridimensionales a partir de un modelo CAD. Esto se logra a través de colocar sucesivamente capas de material hasta crear un objeto tridimensional. Para lograr esto, se han desarrollado diferentes técnicas para la creación de objetos tridimensionales; las principales son: el modelado por deposición fundida (MDF), la estereolitografía (SLA), el sinterizado selectivo por láser (SLS) y la manufactura por laminado de objetos. Estereolitografía (SLA). Esta tecnología utiliza la foto-polimerización para producir objetos a partir de un líquido. Para ello se utiliza una resina fotocurable, que al incidirle rayos UV, se solidifica. Entonces para cada capa del objeto el rayo UV solidifica el material con la forma de la sección trasversal deseada (Live Science, 2013).

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Ilustración 1. Proceso de foto-solidificación. http://proto3000.com/stereolithography-sla-rapid-prototyping-process.php

Para lograr que se foto-solidifique la zona deseada, es necesario dirigir el haz de luz de manera controlada. Tradicionalmente se logra esto mediante un sistema de espejos que dirigen la luz proyectada por el láser hacia el lugar requerido, el cual cura punto a punto la capa de resina. Actualmente se está implementando la utilización de sistemas de proyección con procesamiento digital de imagen o DLP (por sus siglas en ingles), lo que permite el curado de 1 capa entera en una sola proyección, acelerando la impresión e incluso mejorando la resolución, ya que ésta se vuelve dependiente de la resolución del proyector. Para ello se utilizan proyectores HD, logrando resoluciones de 30 micrones (B9creator, 2013). Foto-polimerización El proceso de foto-polimerización consiste en la generación de polímeros a partir de una fuente de luz. Este proceso ha sido utilizado desde hace tiempo, donde los primeros desarrollos se dieron en los 60 (Deanin, 1986). A partir del cual se han desarrollado múltiples técnicas y métodos de solidificación, pero los principales componentes y la forma de funcionar siguen siendo los mismos. El proceso de foto-polimerización consiste básicamente en una mezcla de oligómero y monómeros que luego de la incidencia de luz UV, este se convierte en un polímero. Para que se inicie la reacción en cadena es necesario agregar una pequeña cantidad de fotoiniciadores, que se encargan de tomar la energía lumínica y generar radicales libres, cationes o aniones mediante los cuales se inicia la polimerización (Yusuf Yagci, 2010) Los principales componentes de las resinas utilizadas en la impresión 3D tienen los siguientes elementos: Enlazadores u oligómeros: Moléculas que tienen pocos monómeros y que se utilizan como material base para la formación de la cadena polimérica. Se encuentran en estado líquido a temperatura ambiente y representan por lo generar entre un 50 y 80% de la mezcla (Pandey, 2014). Monómeros: Estos tienen como función ser material para la generación de las uniones entre moléculas así como también de diluir la mezcla para disminuir la viscosidad de la misma. Fotoiniciadores: A pesar de ser una parte pequeña de la mezcla, juegan un papel importante en la velocidad de curado, amarillamiento y el costo. Estos determinan a que longitud de onda se cura la resina. Los principales mecanismo de foto-iniciación son: mediante la generación de radicales y la polimerización catiónica. También es posible la polimerización aniónica o el

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“step-growth polimerization”, sin embargo, estos no son muy comunes y no han sido estudiados de manera profunda. Mecanismo de polimerización mediante radicales libres: Estos mecanismos están divididos en 2 tipos:

a. Tipo I (Segmentación alfa) Consiste en romper una cadena carbón-carbón para generar 2 radicales libres, como en el siguiente ejemplo.

Ilustración 2. Tomado de pág. 6248 de macromoléculas.

En la cual estas especies reactivas generan las cadenas poliméricas a partir de los monómeros presentes en la mezcla. Generalmente son compuestos carbonílicos aromáticos con apropiada sustitución (Yusuf Yagci, 2010)

a. Tipo II El segundo tipo consiste en separar 2 moléculas o compuestos mediante la incidencia de luz UV, generalmente tienen una velocidad de curado más baja, sin embargo, en presencia de donantes de H, estos presentan mejores condiciones de estabilidad, menor deformación y amarillamiento. La polimerización por radicales libres es la comúnmente utilizada ya que presenta mayores facilidades de uso, mayores rangos de longitud de onda y menor demanda de pureza (Pandey, 2014). Mecanismo de polimerización catiónica: Es el segundo mecanismo más utilizado, se lleva a cabo mediante el uso de sales onio las cuales se rompen mediante la incidencia de luz UV y estas posteriormente funcionan como iniciadores de la reacción en cadena de polimerización. Este tipo de mecanismo presenta algunas ventajas sobre el de radicales libres como bajo índice de contracción, baja volatilidad, baja toxicidad y menor inhibición por la presencia de oxígeno (Yusuf Yagci, 2010). SOFTWARE/FIRMWARE. Software. Se buscó entre las opciones de hardware libre, que comúnmente están ligados a la iniciativa REP RAP, o que partieron de programas desarrollados en esta comunidad. Como es el caso de Repetier y Pronterface. Los criterios que se utilizaron a la hora de escoger el software son los siguientes:

- Software libre.

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- Software que tenga un sistema “slicer” o que segmente el modelo CAD en una serie de capas que contengan la información que se le entregara al proyector y que tenga la forma de ligar algún plug-in que permita realizar esta operación.

- Que permita ver la salida de código g de la impresión. - Que permita el manejo manual de los tiempos de curado y los parámetros para

manejar el despegue entre capas. - Por último, aunque no necesario, que tenga algún tipo de soporte o foro si

encontrábamos dificultades. Entre estas opciones se encontraron varios, como GiziControl, b9creator, Gnexlab, RetinaCreate, y algunos más. Pero finalmente se escogió el software de CreationWorkshop ya que este cumplía todos los requisitos y además fue posible conectarlo con la impresora sin que presentara problemas en las velocidades de conexión ni en la conexión con el proyector. Firmware. En la selección del firmware se tuvo en cuenta que contábamos con una tarjeta Arduino Mega 2560 y un adaptador RAMPS 1.4. Lo que implico que utilizáramos un firmware para tarjetas Arduino. Luego de ver las diferentes opciones se escogió una versión estable del firmware Marlin, comúnmente utilizado para las impresoras DIY (Do it yourself, que implica que son de software libres y se pueden modificar según las necesidades). A este se le realizaron las siguientes modificaciones:

- Se le cambio el step_per_unit para ajustarlo a la rosca del eje roscado de 5mm. (4000steps per unit para el eje Z y 380 para el eje X y Y ). Sin embargo, el parámetro del eje Y y X se fue modificando a medida que se realizaban las pruebas.

- Se invirtió la dirección de movimiento para los ejes Y y X con el fin de que el despegue se realice en la dirección deseada.

- Se desactivaron las funciones de “homing”, ya que el ajuste se realizaría manualmente a pesar de instalarle el sensor de fin de carrera.

Partes de la impresora. Los principales componentes de la impresora son los siguientes:

Tanque de resina: Este componente tiene 2 principales funciones, almacenar la resina foto-curable y ser la superficie de foto-solidificación. Este por lo general está hecho de molde de silicona (flexible) para permitir una fácil separación en la impresión de capa por capa. Y una superficie de Teflón ya que la adhesión de la resina al curarse es muy baja, lo que implican menores fuerzas.

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Ilustración 3. Imagen tomada de http://shop.b9creator.com/collections/3d-printers/products/b9c-asm-v1-2

(jkao, 2015) Proyector DLP (procesamiento digital de imagen): Estos proyectores utilizan un

dispositivo de micro-espejos para controlar la luz, llamados dispositivos de micro-espejos digital (DMD por sus siglas en ingles), los cuales están compuestos por aproximadamente 2millones de espejos (3 por pixel) que permiten o no el paso de luz. (Howstuffworks, 2015) Para su uso dentro del proyecto, fue necesario remover el filtro UV que se encuentra a la salida de la fuente de luz, ya que este rango de frecuencia de luz es la que permite solidificar la resina.

Ilustración 4.. Imagen tomada de amazon.com, Epson Home, HC730HD

Sistema eléctrico o de control: por lo generar se compone de una tarjeta de control (por lo general Arduino UNO o Arduino MEGA 2560), un controlado del motor de paso, unos sensores de final de carrera, y una pantalla LCD que muestra el estado de impresión.

Superficie de impresión y movimiento en Z: Esta es la superficie a la cual se adhiere la resina cuando es foto-solidificada, por lo general se hacen de aluminio o aceros de bajo carbono. Estos utilizan sistemas de movimiento bastante precisos que permitan

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realizar pasos de la resolución deseada, estos pasos son de aproximadamente 20 micrones. Para logar esto, se utilizan tornillos sin fin con un paso pequeño, conectados a motores de paso que permitan un número elevado de pasos por revolución (1,8°por paso).

Ilustración 5. Imagen tomada de http://shop.b9creator.com/collections/3d-printers/products/b9c-asm-v1-2

DISEÑO. El diseño de la impresora se realizó a partir del tamaño de la superficie de impresión. Se decidió de aproximadamente 15cm^2 y una altura de 20cm, ya que una área mayor implicaría una estructura más grande, y un área más pequeña no permitiría que fuera comparado con las impresoras comerciales disponibles. La altura seleccionada fue un poco más alta que las otras dimensiones ya que hay ocasiones en las que es necesario hacer piezas grandes y con una orientación adecuada amplia enormemente su gama de soluciones. Para la construcción de la impresora se disponía de un proyector InFocus NI2104 que a pesar de tener varios años de uso, funcionaba bien y cumplía con los requerimientos para el correcto funcionamiento de la impresora. A partir del área de impresión de 15x15cm se procedió a calcular la distancia mínima que se requería entre el proyector y la superficie de impresión.

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Esta distancia implicaría que la estructura tendría que tener como mínimo 53 cm lo cual no era deseable, una estructura alta sería muy costosa. Adicionalmente se buscaba que las vibraciones presentes fueran las menores posibles. La solución fue un espejo que permitiría colocar el proyector de manera horizontal y reduciría la altura de manera drástica. La siguiente imagen ilustra esta solución.

El proceso de diseño se fundamentó en realizar una máquina que en su totalidad no superara más de un salario mínimo mensual vigente en Colombia, es decir, $644,350.00. Por lo tanto se realizaron varias iteraciones con el fin de bajar los precios de su construcción. Inicialmente el diseño se realizó en una estructura que partía de una placa de aluminio de un espesor de 5mm o de 3 mm y esta se cortaba en chorro de agua o plasma y posteriormente se doblaba (ya que este es el método más común que se utiliza actualmente en las impresoras comerciales). Para esto se realizó un modelo CAD sencillo para cuantificar cuanto material se utilizaría.

Sin embargo, se vio que se desaprovechaba mucho espacio pues la impresora era más ancha de lo necesario. Una alternativa que se considero era utilizar una placa de aproximadamente 1 m^2 pero esta solución era muy costosa pues el precio de la placa de aluminio de 5 mm ronda los $ 330.000 y $215.000 la

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de 3mm. La opción que se encontró fue utilizar perfiles cuadrados de un calibre bajo, a un precio reducido, ya que los 6mts requeridos costaban alrededor de $19.000 así como utilizar barras de acero. Por esta razón, luego de varios bocetos se decidió hacer la estructura de la impresora por medio de tobos cuadrados de 1 pulgada (25mm). En base a los perfiles se realizó un nuevo diseño en el cual se ajustaron mejor las dimensiones laterales, se redujo el número de partes necesarias, y además se crearon los archivos imprimibles necesarios para su construcción:

Luego de mirar los aspectos económicos del diseño se decidió que era el adecuado. Solo requería de 1 placa de aluminio de 3 o 5 mm de 20x17cm y aproximadamente 10mts de perfil cuadrado de aluminio con una adición de 3 m de barra roscada de acero inoxidable de 8mm con un costo de aproximadamente $7.600 el m y 1 m de barra acero plata de 8mm de 11 mil. Lo que equivale a un total de $96.000, Lo cual disminuía dramáticamente los costos en comparación con el diseño anterior y por debajo del presupuestado para la estructura (aprox $150.000). Finalmente, con los materiales seleccionados se realizó la construcción de la máquina. A continuación se explicará

el proceso de construcción en forma de guía de construcción, con el fin de cumplir los objetivos establecidos al en la Propuesta. GUIA DE CONSTRUCCIÓN DE IMPRESORA 3D DE ESTEREOLITOGRAFÍA DLP: Todos los archivos requeridos así como esta guía se encuentran disponibles en la carpeta de Dropbox. https://www.dropbox.com/sh/jh7ut0ujy380nkx/AAC9Q2Fem1f5ox16zOJBxpnfa?dl=0 La construcción de la impresora tiene 3 elementos principales: La estructural, la electrónica y la de sistemas. Elementos por los cuales dividiremos la guía de construcción: Estructura de la impresora: La estructura de la impresora tiene, además de su marco, 3 elementos principales: la plataforma de impresión, el tanque de impresión y el espejo:

1. Marco: Para esto es necesario:

- Perfiles cuadrados de 25x25 espesores de 1 mm. o 10 unidades de 170 mm. o 4 unidades de 250 mm. o 2 unidades de 335 mm. o 2 unidades de 300 mm. o 1 unidad de 265mm o 2 unidades de 330mm(opcional)

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o 2 unidades de 225mm(opcional) - Barra roscada 8mm

o 2 unidades 500mm o 2 unidades de 380mm

- Barra roscada 5mm o 1 unidad de 400mm o 2 unidades de 260mm.

- Barra acero plata 8mm 2 unidades de 335mm - Piezas impresas.(son archivos .stl que se encuentran disponible en la carpeta STL de

Dropbox.) - 4 rodamientos LM8UU - 1 gt2 Pulley - Lamina de aluminio de 70x50 - 20 tuercas m8. - 8 tuercas m5. - 16 tornillos m4 o m3 de 30mm - 16 tuercas m4 o m3.

Para este marco se hacen dos rectángulos con los perfiles cuadrados de 170mm y los de 250mm y las piezas impresas: 2x“ESQUINAtrasera”, “ESQUINA” y ESQUINA_MIR” para la parte inferior y “ESQUINAtraserasuperior”, “esquinasola “esquinasola_MIR” y “ESQUINAtraserasuperior_MIR”. Posterior a esto se colocan entre los rectángulos perfiles de 170mm (se coloca uno en cada esquina, es decir, 4). Posteriormente se colocan en la pieza impresa “ESQUINA” y la “ESQUINAtraserasuperior”, la barra roscada de 8mm, con la finalidad de tener una estructura más resistente. Después sobre la pieza “ESQUINAtraserasuperior”, y “ESQUINAtraserasuperior_MIR”, se colocan los perfiles de 335mm y sobre estos se coloca la pieza “esquinasolasupp” y “esquinasolasupp_MIR”. En la parte posterior se colocan los 2 perfiles de 300mm con las piezas “6” y ”6i” y un perfil de 170mm. Por ultimo ponemos las barras roscadas de 8mmx50mm entre las piezas “esquinasolasupp” y “esquinasola” con sus respectivas tuercas para asegurar la pieza. Antes de asegurar las piezas “esquinasolasupp” y “esquinasolasupp_MIR”, se debe tener listas las barras de acero plata. Para poder montar el sistema de movimiento del eje Z se debe colocar dentro de los agujeros de la pieza “guía eje Z” los rodamientos lineales LM8UU (4 de estos). Las barras de acero se colocan entre las piezas “soporte eje z 1” y “soporte eje z 2” teniendo en la mitad la pieza “guía eje Z” con sus respectivos rodamientos. Al final en cada perfil se debe colocar un tornillo con tuerca m3 en punta de los perfiles rectangulares.

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El siguiente paso es instalar el motor que realizará la función de “tilting” o despegue de capas. Para este se toma la lámina de aluminio de 50x70 la polea gt2, 4 tornillos con tuerca m3 y 2 tornillos con tuerca m4.

Se hacen los huecos que se muestran a continuación: para posteriormente ubicarlo encima de la pieza impresa “ESQUINAtraserasuperior_MIR”.

2. Espejo: Para lograr una buena impresión es necesario que el espejo utilizado sea tal que la superficie reflectora no tenga un vidrio que lo proteja (Surface mirrors), ya que esto generaría en la zona de impresión una segunda imagen que se generaría debido a la reflexión sé que presenta en el vidrio como se muestra en la imagen con la línea azul. Para conseguir un espejo con estas condiciones hay varios métodos:

a. Comprar un espejo en el mercado: se utiliza en las impresoras antiguas (de fotocopiado) y también tienen algunas aplicaciones específicas en la óptica, como es el caso de su uso en telescopios.

b. Comprar un espejo convencional y removerle la pintura protectora de tal manera que la pintura reflectora queda al descubierto.

c. Otra manera es utilizar una superficie metálica, para el cual se requiere lijar y polichar la superficie del mismo hasta lograr acabado espejo.

Para este caso utilizamos un espejo sin uso alguno, que fue encontrado en una bodega de la empresa Auros Copias (era parte de una impresora que se había dañado hace 12 años). Para ubicar el espejo es muy importante que se encuentre a 45° y que la distancia sea tal que permita centrar la proyección en la mitad de la superficie de la plataforma de impresión. También hay que tener en

cuenta el tipo de recubrimiento que utilizan los espejos, idealmente se utilizaría un espejo de “UV enhanced aluminum” ya que tienen la mayor reflectancia para rangos de luz ultravioleta como muestra la imagen de la derecha.

Ilustración 6. Tomado de firstsurfacemirror.com.

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2. Plataforma de impresión:

- Lamina de 5mm de 140x230 - Eje roscado m5 x40mm - 2 tuercas m5. - Pieza impresa “anti-backslash” - Resorte diámetro interno de 5mm - 2 barras roscadas de 8mm x280mm - 12 tuercas y arandelas m8. - 2 tablas de madera de 60x270x10

Tiene que ser una superficie lo más plana posible y tener cierta rugosidad superficial además de tener un agarre firme a la guía del eje Z con el fin de disminuir los posibles desajustes. En este caso se decidió hacer con una lámina de aluminio de 5mm de espesor. Se parte de las siguientes dimensiones: 140x230 Este diseño tiene las esquinas reducidas con el fin de disminuir el peso. Se penso en realizar con corte de agua, sin embargo, por el alto coste del corte se decidio hacer solo el doblez.

Esta plataforma se agarra del eje z mediante 2 tornillos m4 en la parte superior y 4 tornillos en la parte lateral de la guía. Un elemento importante del eje z es que no deseamos que el juego de la rosca de la tuerca afecte la impresión, por lo tanto se debe utilizar una pieza anti coletazo(o antibackslash) que tiene como función evitar el juego que tienen las tuercas (a pesar de ser tan pequeño este aún puede llegar a afectar la impresión)

3. Tanque

- Lamina de aluminio de 300x300mm y un espesor de 5mm - 4 Rodamientos 624. - 6 tornillos con tuerca m4.

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- Correa gt2 de 70cm. - Sylgard 184 - Lamina de vidrio de 5mm de 150x165mm. - Resina epóxica (en este caso se utilizó Epoxi-Mil)

Se debe tomar el vidrio de 150x165 y colocar con Epoxi-mil sobre la lámina de aluminio y alrededor de este poner las cuatro láminas con el fin de formar un tanque. La lámina de la parte inferior izquierda se puso inclinada para no interferir con la plataforma de impresión en la zona demarcada con rojo.

Luego de dos horas que requiere el epóxico para solidificase, se procede a utilizar el elastómero Sylgard 184. Este tiene 2 funciones principales, la primera es que es un material elástico, protege el vidrio de posibles roturas en caso en que la plataforma de impresión choque contra el tanque. La segunda y más importante, es que es un material con muy bajo coeficiente de adhesión lo que permite un fácil despegue en el proceso de “peeling”, gracias a esto el material queda adherido a la plataforma de impresión y no al tanque. Este material tiene una relación de mezcla de 10:1 por las características del material debe ser cuidadosamente medido utilizando una balanza de buena precisión. De acuerdo a las características del elastómero, este requiere

48 horas de curado a temperatura ambiente y 35mins a 100°C. Sin embargo se tiene que tener en cuenta que el epóxico utilizado para pegar las piezas del tanque no es resistente a la temperatura. Por esta razón luego de verter sobre el vidrio el fluido y esperar a que se retiraran las burbujas se procedió a meterlo en un

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horno a 60°C durante aproximadamente 9 horas. Para realizar el desplazamiento se utiliza un motor de paso nema 17 y una correa gt2 de aproximadamente 70cm. Agarramos la correa a la plataforma con una lámina de aluminio de 30x50mm y 2 tornillos con tuerca m4 y al final ponemos unos rodamientos 624con el fin de permitir el deslizamiento. De esta manera podemos ir modificando la tensión en la correa hasta lograr la tensión adecuada. Mucha tensión y el torque del motor de paso no es suficiente, y con poca tensión se presenta mucho juego en el sistema. En la foto de la derecha podemos observar las guías que se colocan para lograr un desplazamiento sin juegos ni desajustes.

Electrónica. Para la parte electrónica por lo general se compra un kit tradicional de impresora 3D, como son las utilizadas por la impresora DIY Prusa Mendel. Sin embargo son necesarios muchos menos elementos ya que solamente tenemos 2 motores y no es necesario un control de temperatura. A continuación se listan los elementos necesarios:

- Arduino Mega 2560. - RAMPS 1.4 o 1.3 - 2 controladores de motores de paso Polulu a 4899( preferiblemente con disipador) - 2 sensores de fin de carrera con su respectivo cable. - Fuente de 12v. - En algunos casos es necesario un adaptador vga/hdmi.

Para este montaje se colocan los Polulu en el puesto del eje z y x (círculos azules). Los motores de paso se colocan en donde está el círculo rojo oscuro. Y los sensores de fin de carrera se colocan en donde está el circulo verde, teniendo en cuenta que su ubicación tiene que coincidir con el que sale del sensor de fin de carrera, es

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decir, el cable S del sensor coincida con el pin S de la RAMPS, lo mismo con el + y el -. Es importante revisar que la fuente si este entregando los 12 V (ya que estas pueden salir malas muy frecuentemente). Software. Se utilizara el software Creation Workshop, y para el control de la maquina utilizaremos una versión modificada de Marlín que se encuentra disponible en el repositorio de Github. CALIBRACIÓN Los resultados obtenidos se lograron luego de un extendido proceso de calibración. Los parámetros que requerían de calibración son los siguientes:

- Angulo de inclinación del proyector y del espejo. - Distancia por pixel para cada una de las direcciones - Sistema de control de “Tilting” o despegue. - Tiempo de exposición - Tiempo de exposición en primeras capas y cantidad de estas. - Distancias y velocidades para la secuencia de despegue (tanto eje z como Tilting).

A continuación se explicará cómo se calibro cada uno de los elementos y posteriormente se mostraran los resultados obtenidos de impresión. Angulo de inclinación del proyector y del espejo. Para realizar este ajuste se utilizó la función del programa que muestra una matriz de calibración y además la función de ajuste trapezoidal del proyector que permite ajustar la relación entre la distancia la arista superior y la arista inferior de la imagen de salida. El ajuste se realizó activando la función de calibración y ajustando el ángulo del proyector y la ubicación del espejo de tal manera que el centro de la imagen proyectada coincidía con el centro del tanque. Distancia por pixel.

Para realizar este ajuste se utilizó la función de calibración del software Creation Wokshop, donde medimos las dimensiones de la pieza y las dimensiones reales de la pieza, el software

automáticamente ajusta las dimensiones de la impresión como muestra en la imagen de la derecha.

Sistema de Tilting o despegue. Dado que el software solo permitía el ajuste de valor (Slide/Tilt value) sin permitir la modificación de la velocidad de movimiento, se buscó un para “Slide/Tilt value” que

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tuviera un tiempo igual al tiempo que demoraba la plataforma en subir y bajar, este valor encontrado fue de 1.45. Posteriormente se modificó en el firmware el valor de los pasos por unidad (Stepr_per_unit) que permitiera un desplazamiento de aproximadamente 1.5cm (distancia que permitía el tanque). Tiempo de exposición Este tiempo se ajustó mediante ensayo y error, en primer lugar se utilizó un tiempo de 1 segundo por exposición (el estándar). Luego se vio que la potencia UV del proyector era muy y que con 1 segundo no se curaban las piezas, por lo tanto se decidió aumentar drásticamente el tiempo de exposición para lograr la solidificación del material. Se realizó la prueba con 50 segundos de exposición que concluyo en una buena impresión, sin embargo los tiempos eran muy largos, por ello se realizaron varias pruebas para reducir el tiempo de exposición y al final se llegó a que 27 segundos era un valor que daba seguridad de que se realizaría un buen curado sin ser demasiado grande. Tiempo de exposición en primeras capas y cantidad de estas. El tiempo de exposición en las primeras capas es necesario que sean un poco mayores a las demás capas, ya que se debe garantizar que las primeras capas se adhieran bien a la plataforma de impresión. El tiempo de exposición que garantizaba esto fue de 45 segundos, aunque pueda ser un poco menor, se prefirió mantenerlo así ya que una falla en las primeras capas puede ser catastrófico para la impresión. Distancias y velocidades para la secuencia de despegue (tanto eje z como Tilting).

La velocidad de despegue o “Bottom Speed” es la velocidad en la que se despega de la plataforma de impresión y esta debe ser pequeña pues si es muy rápida puede que no se despegue o dañe la impresión. “Lift Speed” define la velocidad en la que la plataforma vuelve a su posición de impresión, ésta puede ser rápida sin afectar la impresión. “Lift distance” define la distancia que se levanta la plataforma en la secuencia de despegue, esta deber ser lo suficientemente grande para permitir la entrada de fluido a la zona de impresión. Por último, está la función “Auto Calc” que calcula el tiempo que demora la secuencia de despegue, teniendo en cuenta las velocidades y distancias seleccionadas anteriormente.

COSTOS Mostraremos los costos por partes. El cambio de dólar a peso se hizo con el cambio del día 1 de diciembre, aunque la mayoría de las cosas se compraron con un dólar mucho más bajo. Electrónica:

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Parte. Cantidad Costo

Arduino Mega 2560. 24,75 $ 77.767,22

RAMPS 1.4 o 1.3

4(2) controladores de motores de paso Polulu a 4899 (preferiblemente con disipador)

2 sensores de fin de carrera con su respectivo cable. 5,88 $ 18.475,61

Fuente de 12v. 33,89 $ 106.486,11

Adaptador vga/hdmi 1 $ 25.000,00

Total $ 227.728,94

Mecánica: Tanque: Parte. Cantidad Costo

Lamina de aluminio de 320x320mm y un espesor de 5mm

320mmx320mm $ 16.896,00

4 Rodamientos 624. 4x1100 $ 4.400,00

6 tornillos con tuerca m4. 6x140 $ 840,00

Polea gt2 4,96 usd $ 15.584,87

Correa gt2 de 70cm.

Sylgard 184(alcanza para 5/10 peliculas) 48 usd $ 150.821,28

Lamina de vidrio de 5mm de 150x165mm. $ 4.000,00

Resina epóxica (en este caso se utilizó Epoxi-Mil) 1 $ 9.000,00

Total $ 201.542,15

Plataforma de impresión: Parte. costo unidad Costo

Lamina de 5mm de 140x230 2m^2x 330.000 $ 5.313,00

Eje roscado m5 x400mm 1m $ 3.100,00

2 tuercas m5. 32 $ 64,00

Pieza impresa “anti-backslash” Donada asesor.

Resorte diámetro interno de 5mm 2000 $ 2.000,00

2 barras roscadas de 8mm x280mm 1m $ 7.600,00

12 tuercas y arandelas m8. 32+100 $ 1.584,00

2 tablas de madera de 60x270x10 2000 $ 4.000,00

Total $ 23.661,00

Elemento Costo

Electrónica $ 227.728,94

19

Estructural

Tanque $ 201.542,15

Plataforma de impresión $ 23.661,00

Estructura $ 96.025,93

Espejo(donado)(19,87usd)(4 unidades) $ 62.433,73

Motores de paso. $ 34.563,21

Total $ 645.954,95

Como se muestra en la tabla anterior, el costo fue casi igual al salario mínimo mensual, cumpliendo con uno de los objetivos del proyecto. Además, se tiene que tener en cuenta que hay elementos que no venden en menor cantidad, y hubo excedentes, como es el caso del elastómero Sylgard 184 (el cual alcanza para más de 6 tanques), el espejo (el cual alcanzaría para hacer 4 espejos), los drivers Polulu a4988 que sobran 2, la correa gt2 de 6mm de la cual sobran 80cm. RESULTADOS. Para obtener los resultados fue necesario una gran cantidad de pruebas hasta lograr impresiones de buena calidad. La primera impresión que se obtuvo con buena calidad pero con un tiempo excesivo de curado fue la de la imagen a la derecha. A pesar de tener muy buen acabado superficial las primeras capas no curaron bien y la impresión quedo con imperfectos.

Corrigiendo este error se aumentó la exposición en las primeras capas y se obtuvo el siguiente resultado, sin embargo, fueron con un tiempo de exposición bastante alto (50 segundos).

La siguiente impresión fue de buen acabado pero fallo debido a un desajuste del espejo durante la exposición en 3 capas. Se realizaron las correcciones y se obtuvo el resultado de la imagen de la derecha. Se logró obtener muy buen acabado superficial y tener tiempos de exposición mucho menores (27 segundos por exposición).

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En la imagen de la izquierda se observa que los engranajes se acoplan muy bien y el acabado superficial es excelente para una impresora de tan poco presupuesto. Esta calidad de impresión podría permitir la fabricación de elementos para prototipos. ACTIVIDADES

A continuación se presentara el cronograma de actividades que se planifico al principio del proyecto con cada etapa y sus elementos. Etapa 1. (Diseño del equipo)

Con la bibliográfica obtenida definir el tipo de tanque a utilizar, el tipo de sistema de movimiento, el tipo de fuente de luz.

Generar un modelo CAD en base a los sistemas seleccionados Cotizar los elementos que requieren importación, como son el láser o proyector, los

circuitos eléctricos y motores. Selección de materiales para la estructura de la máquina y todos sus componentes

en base a disponibilidad de materiales y su costo. Selección de resina fotosensible en base a disponibilidad, costo y frecuencia de la

onda de luz del proyector o laser seleccionado. Etapa 2. (Construcción de la máquina)

Manufactura de estructura de la máquina. Manufactura y ensamble del movimiento en eje Z. Manufactura del tanque de la resina. Ensamble del sistema de proyección de luz. Ensamble del sistema electrónico.

Etapa 3. (Calibración) Calibración de proyector o laser. Calibración tanque de resina. Prueba de conexión del sistema electrónico Búsqueda y calibración de firmware para la impresora. Búsqueda e instalación de software para el control de la impresora.

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Etapa 4. (Pruebas de impresión) Pruebas de la relación software y firmware instalados. Prueba de solidificación por parte del proyector o laser seleccionado. Pruebas de impresión, con el fin de calibrar la resolución y exactitud de la máquina.

CRONOGRAMA

PRESUPUESTO

*El costo puede disminuir a 200usd **Está disponible por el estudiante. ***Están disponibles por el estudiante.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Actividad

Diseño del equipo

Construcción de la máquina

Calibración

Pruebas de impresión

Semana

Julian Ramírez Jonathan Camargo

Cargo Pregrado Magister

Salario aproximado 644.000,00$ 3.377.000,00$

Dedicación 192h 48h

Costo 772.800,00$ 1.013.100,00$

Costo total 1.785.900,00$

Personal

Material. Cantidad Costo

Proyector dlp(300usd)* 1 795.000,00$

Motor ** 1 55.000,00$

Circuitos electrónicos** 1 200.000,00$

Lámina Aluminio 4mm 2 m^2 50.000,00$

Otros(tornillos, arandelas, etc) 50.000,00$

Total 1.150.000,00$

Materiales

Servicio Costo

Mecanizado 100.000,00$

Soldadura Aluminio(12000/cu) 120.000,00$

Corte 30.000,00$

Total 250.000,00$

Servicios

22

Referencias

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