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DISEO Y CONSTRUCCIN DE UNAIMPRESORA 3D APLICANDO LA TCNICA DE
PROTOTIPADO RPIDO MODELADO POR
DEPOSICIN FUNDIDA
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DISEO Y CONSTRUCCIN DE UNA IMPRESORA 3DAPLICANDO LA TCNICA DE PROTOTIPADO RPIDO
MODELADO POR DEPOSICIN FUNDIDA
Torres, Edgar*, Len, Jersson, Torres, Edwin
Facultad Duitama, Universidad Pedaggica y Tecnolgica de Colombia.Escuela de Ingeniera Electromecnica.
[email protected]@uptc.edu.co
RESUMEN.
Teniendo en cuenta que una de las mltiples reas en desarrollo tecnolgico corresponde alprototipado rpido que crea modelos tridimensionales como artculos terminados, se plantea eldiseo y construccin de un sistema mecatrnico que integra diversas reas de la ingenieramecnica, electrnica, de control e informtica, formando una sinergia que conduce a crear unamquina automatizada que responde a las necesidades tcnicas y requerimientos de unaimpresora 3D que aplica la tcnica de prototipado rpido modelado por deposicin fundida, la cualfabricar una pieza diseada en el ordenador a escala real por medio de extrusin de plstico por
capas y el posicionamiento de una herramienta en tres dimensiones.La metodologa planteada contempla el proceso de diseo y construccin de la impresora,teniendo en cuenta las variables y tcnicas necesarias para la respuesta de la mquina en loconcerniente al acabado superficial de la pieza, tiempo de impresin, paradas de emergencia,entre otras.
Las metas alcanzadas responden al diseo y construccin del sistema de posicionamientotridimensional, un componente para la extrusin del material, la seleccin de sensores yactuadores y el diseo del sistema de control, satisfaciendo las caractersticas de movimientodeterminado por la respuesta que entrega el software de modelamiento a travs de la conversindel modelo CAD a cdigo de estereolitografa (STL) y finalmente a cdigo G, a partir del cual seresponde a las coordenadas de posicin y a las caractersticas de dosificacin. El extrusor se
disea teniendo en cuenta las propiedades de un polmero termoplstico para fundirlo ydepositarlo capa sobre capa en la impresin. El sistema es gobernado por una plataforma Arduinopara la programacin e integracin de componentes. El prototipo construido ha permitido evaluarel cumplimiento de las especificaciones de diseo y determinar las caractersticas delposicionamiento tridimensional integrado con la herramienta de extrusin.
Palabras Claves: Control de posicin, extrusin, impresin 3D, prototipado rpido, sistema decontrol.
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1. INTRODUCCINCon el propsito de apropiar tecnologa y asumir los retos de afrontar un mercado abierto donde elconocimiento, desarrollo e innovacin se convierten en los pilares de competitividad y dado que laingeniera regional debe buscar soluciones a necesidades del mejoramiento de la calidad de vidade sus habitantes a partir del ofrecimiento de productos y servicios, se plantea y desarrolla esteproyecto teniendo en cuenta que una de las mltiples reas en desarrollo corresponde alprototipado rpido que crea modelos tridimensionales como prototipos o productos terminados.
Esta tecnologa se basa en el uso de diferentes procesos como la estereolitografa, sinterizacinselectiva por lser, manufactura de objetos laminados, fotopolimerizacin por luz UV, Fusin lsery modelado por deposicin fundida, entre otros.
La tcnica de modelado por deposicin fundida FDM, asumida para el desarrollo de este trabajo,representa una las principales tcnicas para el prototipado rpido, tal y como lo muestrandiferentes publicaciones[1-8], es el caso del estudio realizado por D.T. Pham y R.S. Gault(1998), ypublicado en International Journal of Machine Tools & Manufacture [9], en el que se comparandiferentes tecnologas con respecto al costo y el acabado del modelo impreso, la eficiencia delvolumen construido con respecto al volumen de la mquina, las emisiones y el trabajo de post-proceso, mostrando como resultado una favorabilidad en cuanto a costo, volumen de impresin,simplicidad y versatilidad.
Adems de las razones anteriormente expuestas, el desarrollo del presente trabajo tiene encuenta la facilidad de acceso a tecnologas locales, materia prima, y costo para construccin delsistema; tambin se tiene en cuenta que la construccin de un prototipo de esta naturaleza,
permite evaluar la apropiacin de tecnologa, el desarrollo de este tipo de sistemas con tecnologalocal y la tcnica de prototipado utilizada.
As como el modelado slido 3D facilita el diseo de formas complejas y su representacin grfica,el prototipado rpido permite la fcil materializacin de una maqueta real o de un modelofuncional. Por otra parte, la incorporacin del prototipado rpido, tecnologa proveniente del sectorindustrial, en el proceso de enseanza-aprendizaje, posibilita la transferencia de experiencias de laactividad industrial al aula, por lo que se constituye en una innovacin educativa que adems esten lnea con el concepto actual de formacin basada en competencias.
En cuanto a innovacin y desarrollo de estas tecnologas, en el mundo se viene trabajando en
temticas como: la optimizacin de los sistemas a travs del control avanzado para mejorar laprecisin y terminado superficial, Caracterizacin y aplicacin de nuevos materiales para lasdiferentes tcnicas de PR, aumento en la velocidad de fabricacin, aumento en los tamaos de losprototipos, disminucin de costos, minimizar efectos de post-proceso, entre otros. El presenteproyecto se enmarca dentro del diseo e implementacin del sistema de posicionamientotridimensional y la aplicacin, de un algoritmo de control, utilizando herramientas deautomatizacin, de posicionamiento mecnico, de informtica y de electrnica.
En el artculo se describe el proceso seguido para el desarrollo del proyecto desde el diseomecnico de posicionamiento, el diseo del extrusor, el diseo del sistema de control, laconstruccin y la evaluacin del sistema.
2. MATERIALES Y MTODOSEn la tcnica de prototipado rpido modelado por deposicin fundida [10] se parte delmodelamiento de la pieza a construir en un software CAD, la conversin de dicho modelo a
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lenguaje de mquina y el gobierno de una planta para que un filamento plstico se desenvuelvade un rollo y alimente una boquilla de extrusin. La boquilla se calienta para fundir el plstico hastaalcanzar el estado de transicin vtreo y mediante un mecanismo de dosificacin se controla elflujo del material fundido. La boquilla se monta sobre un sistema de posicionamiento tridimensionalque ubica las coordenadas X, Y y Z determinadas por la discretizacin de la pieza y deposita uncordn o gota de plstico para formar cada capa del modelo.
El desarrollo del sistema tiene en cuenta el diseo del sistema mecnico, el diseo del extrusor, laseleccin de sensores y actuadores y el diseo del sistema de control.
2.1. Nomenclatura.P
P2P1NPcPmnNzPtKATem
cpTd
Diferencial de posicin entre puntos 1 y 2
Posicin final del extrusorPosicin inicial del extrusorNmero de dientes del pin para el ejePaso de la correa (mm)Nmero de pasos por vuelta del motorPasos del motor para el movimientoNmero de dientes de la coronaPaso de la rosca en varilla vertical (mm)Coeficiente de conductividad trmica (W/m*K)rea de recubrimiento del aislante (mm2)Diferencia de temperatura ambiente y de fusinEspesor del aislamiento (mm)Masa de polmero a fundir (Kg)
Calor especfico (KJ/Kg*K)Temperatura deseada para la fundicin dematerial
Ta
TQT
Q*VdVxVyVz
mxmymzrpx
rpyld
Temperatura ambiente
Diferencial de temperatura (K)Transferencia de calor requerida (J)Tiempo de calentamiento de la maquina (s)Flujo msico(Kg/s)Caudal (mm3/s)Velocidad lineal de extrusin (mm/s)Velocidad lineal del eje xVelocidad lineal del eje yVelocidad lineal del eje zVelocidad angular motor eje xVelocidad angular motor eje yVelocidad angular motor eje zRadio del pion eje x
Radio del pion eje yLongitud de avance de material por pasodel motorPrdidas de energa por transferencia decalor (W)
2.2 Diseo mecnico.
El diseo mecnico toma como base el uso de un sistema referencial cartesiano tridimensional,con movimiento en cada eje gobernado de forma independiente y teniendo en cuenta que elmovimiento para la deposicin se hace sobre el plano horizontal (x,y) y que el desplazamientovertical (z) obedece al espesor de la capa del material depuesto.
El lenguaje de mquina se logra a partir de la conversin de un modelo CAD a formato deestereolitografa (STL) [11] y finalmente a cdigo G, de donde se obtiene las coordenadas quepermiten el desplazamiento del extrusor. En la Figura 1 se muestra un modelo con sucorrespondiente cdigo G.
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Figura 1 Cdigo G para el modelo mostrado
El diseo del sistema de posicionamiento utiliza para su desplazamiento las coordenadasentregadas por el cdigo G y el algoritmo de Bresenham [12] a partir del cual se garantiza elseguimiento de trayectorias y la minimizacin del error. Este algoritmo considera para elmovimiento entre dos puntos del plano XY, una lnea que va desde el punto inicial (x1, y1) hasta elpunto (x2, y2), como se muestra en la Figura 2. Si y , se define el ejeconductor como el eje x si el || ||o el eje y si || ||, el eje conductor es usadocomo el eje de control para el algoritmo y es el eje con mximo movimiento.
Para determinar el movimiento en el plano xy, se utilizan coordenadas absolutas, a partir de lascuales se define la posicin inicial P1 y final P2 del extrusor, de donde
12 PPP (1)
),( 1212 yyxxP
(2)12 xxPx (3)
12 yyPy (4)
Dentro del lazo principal del algoritmo la coordenada correspondiente a la del eje de control, esincrementada en una unidad. La coordenada correspondiente al otro eje (usualmente conocidocomo eje pasivo) es nicamente incrementada segn la necesidad. En la figura se muestra unejemplo para un cambio de posicin entre los puntos (5,1) y (1,6), de donde || y || ,entonces el eje conductor es el eje Y y el eje X se incrementa a medida que se avanza en sudireccin.
Figura 2 Muestra de coordenadas seguidas por el cdigo
Como el cdigo g entrega nmeros reales entonces el procedimiento mostrado se modifica deacuerdo con el siguiente procedimiento:
Se calcula la pendiente m de la lnea, la cual est dada por:
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Adems se calcula el error inicial, dado por:
[ ( )] (6)
Con estos resultados, se define el inicio del movimiento desde el punto conformado por los valoresenteros de (x1, y1), y se procede como en el caso anterior; para corregir el error, se iniciaavanzando una unidad en el eje de movimiento, se le suma la pendiente al error inicial y seestablece si el nuevo valor es mayor que 0, si no es as se continua avanzando en el eje demovimiento y se vuelve a sumar la pendiente, hasta cuando dicha suma llegue a ser mayor que 0,en ese momento se incrementa una unidad en el otro eje y el error se disminuye en una unidad,volviendo a iniciar el proceso hasta encontrar el punto de llegada.
El movimiento en los ejes X y Y est descrito por y de acuerdo con el algoritmo anterior; enel eje Z el movimiento est definido de acuerdo al espesor de la capa de material depuesto.Adems el desplazamiento en los ejes est controlado por motores paso a paso, el diseo de loseses X y Y se muestra en la Figura 3.
Figura 3. A la izquierda el actuador para movimiento en el eje xy a la derecha el actuador paramovimiento en el eje y.
El desplazamiento y velocidad en cada uno de los ejes estar determinado por el nmero de
pasos por vuelta del motor, a la relacin de transmisin que est dada por el nmero de dientesdel pin y al paso de la correa. Como se demuestra en las siguientes ecuaciones, la velocidadangular del motor es funcin de la frecuencia de activacin de las bobinas del mismo:
1nP
PNP
m
cxx (7)
(8)
2nP
PNP
m
cy
y (9)
(10)
Para el desplazamiento vertical, gobernado por el eje z,z
P est determinado por la posicin
lineal de la coordenada del cdigo G en z, que variara segn las caractersticas del espesor de lacapa fundida, la configuracin se muestra en la Figura 4:
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Eje Z
Figura 4.Actuador para movimiento en el eje z
El desplazamiento y velocidad de este eje est determinado por el nmero de pasos por vuelta delmotor, la relacin de transmisin que est dada por el nmero de dientes de la corona y el pasode la rosca de la varilla vertical, de la siguiente forma:
3nNP
PP
zm
tz (11)
(12)
2.3 Diseo del extrusor.
El extrusor es un componente que aprovecha las propiedades de un polmero termoplstico parafundirlo y depositarlo capa sobre capa de forma que se logre la impresin tridimensional; stepropsito se obtiene a travs de transformaciones de energa elctrica a trmica, con el fin dellevar el polmero a las condiciones ptimas de trabajo, considerando variables [13] de velocidad ycantidad de material.
2.3.1 Mater ial .
Existen diferentes materiales que pueden ser utilizados para la impresin, en este caso se haelegido el Acrilonitrilo Butadieno Estireno-ABS, teniendo en cuenta sus propiedades fsicas ytrmicas, destacando su resistencia al impacto, algunas mostradas en la Tabla 1.
Tabla 1. Caractersticas del polmero a utilizar.
MATERIAL DESCRIPCIN DENSIDADTEMPERATURA DE
FUSIN
ABS Acrilonitrilo Butadieno Estireno1,25
g/cm3220 C
2.3.2 Di seo mecnic o .
Es diseo del extrusor se hace teniendo en cuenta criterios de baja inercia, buena conductividad y
aislamiento trmico, para esto se analizan materiales y geometras, optando por la configuracinmostrada en la Figura 5:
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Figura 5 Configuracin mecnica del extrusor
2.3.3 Diseo trm ico .
Este diseo [14] determina las dimensiones del aislante trmico y la velocidad de deposicin delmaterial a inyectar, la Figura 6 muestra los principales componentes del extrusor, utilizados comobase para el diseo.
Figura 6 Componentes del extrusor
Seutiliza una fuente trmica de 30 W constituida por un alambre desnudo de ferronquel enrolladosobre un tubo de aluminio y protegido por cinta especial aislante que soporta alrededor de 300Cesto para aislamiento elctrico; adems, se implementa un aislamiento trmico de porcelana querecubre dicho alambre, finalmente se recubre el extrusor con un cilindro de baquelita queigualmente asla y protege el conjunto. Las caractersticas de la porcelana se muestran en laTabla 2.
Tabla 2. Caractersticas de los materiales aislantes
MaterialDensidad(kg/m3)
Calorespecfico(J/(kgK))
Conductividadtrmica
(W/(mK))
Porcelana 2350 921 0,81
Baquelita 1270 900 0,233
El espesor del aislamiento se hace teniendo en cuenta la ecuacin de Newton de transferencia decalor, y asumiendo, por criterios de diseo, unas prdidas no mayores del 10% de la potenciaentregada por la fuente trmica se tiene:
(13)
De esta forma
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2.3.4 Clculo de tiempo de p uesta en march a del ex truso r.
Asumiendo unas prdidas del orden del 10% en el calor entregado, se obtiene un flujo de calor de27 W hacia los componentes de sistema extrusor, con lo cual se realizan los clculos paradeterminar el tiempo en el cual el polmero estar en condiciones de uso, as como la velocidad deflujo de material.
La energa necesaria para llevar el disipador a la temperatura deseada, Td, asumiendo unatemperatura del medio ambiente de Ta,
( ) (15)
Teniendo en cuenta que la energa suministrada por el disipador , el tiempo requerido paraponer a punto del extrusor est dado por
(16)
2.3.5 Clcu lo de fl ujo de m aterial.
Asumiendo que el sistema se encuentra en Estado estable y flujo estable, la ecuacin deconservacin de la masa est dada por:
(17)
Y la ecuacin de conservacin de la energa, teniendo en cuenta que la potencia ydespreciando las prdidas de energa cintica y potencial, viene dada por
(18)
Adems
(19)
Siendo la diferencia entre las temperaturas entre el ambiente y la de fusin.
(20)
Entonces
(21)
De las ecuaciones anteriores se obtiene un flujo msico el cual sirve para calcular el caudal Q*,
(22)
Teniendo en cuenta que para un flujo en rgimen permanente
(23)
La velocidad de flujo de deposicin se encuentra a partir de
(24)
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2.3.6 Longitud de avance de material por paso del motor
La Figura 7 muestra el sistema mecnico de dosificacin del ABS. La rueda dentada con radio r2est montada sobre el eje del motor, y las ruedas 3 y 4 permiten la reduccin de velocidad y ladosificacin del material a la cmara de fundicin del extrusor.
Figura 7 Sistema mecnico de dosificacin del ABS.
Para esta condicin se tiene una dosificacin del material por paso del motor relacionado por:
(25)
2.3.7 Velocidad de deposicin por velocidad angular del motor del extrusor
Con referencia a la figura anterior, el anlisis de velocidad de deposicin est dada por, la cual escoherente con la mostrada en la Ecuacin (24),
(26)
2.4. Sistema informtico.
Por medio de este sistema la mquina interpreta la geometra de la pieza a fabricar, que en unprincipio es diseada en un software CAD. Este tipo de software permite guardar el archivo en unaextensin estndar de prototipado rpido .STL. Al convertir a este formato se genera una malla depequeos tringulos sobre las superficies para definir la forma del objeto. Posteriormente elarchivo .STL es cargado por un software maestro que controla el sistema. ste software permitela conversin del archivo .STL a cdigo G que ubica los nodos de cada tringulo en coordenadasabsolutas, especial para la impresin en 3D, adems configura diversas variables como el tiempode inicio para puesta a punto, la temperatura del extrusor, distancia entre capas, acabado de lapieza, avance y retroceso de cada eje, el inicio y las paradas de emergencia; la Figura 8 muestra
un diagrama de flujo de informacin.
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Figura 8 Diagrama de flujo de informacin para el control del sistema.La interfaz de comunicacin es serial y utiliza un conversor FTDI Basic de USB a RS232 queenlaza el PC y una tarjeta de control.
2.5. Seleccin de sensores y actuadores.
Los actuadores seleccionados son motores paso a paso HS 200 2221 de 200 pasos/vuelta, con unpar motor de 75 N.cm, suficiente para vencer las prdidas por rozamiento y la inercia del sistema.Los sensores implementados corresponden a las necesidades de control de posicin y detemperatura del polmero; para la posicin se utilizan sensores fin de curso ptico de barrera,quienes determinan el alcance del mximo en cada coordenada y la posicin de referenciainicial.Como sensor de temperatura se utiliza una termocupla tipo K, con un rango entre -270 C y
1370 C.
El sistema de control [15] que gobierna el sistema mecnico est basado en primer lugar en unsistema informtico que a travs de un software maestro enva informacin a un segundo sistemaelectrnico correspondiente a una tarjeta de control, este se encarga de interpretarla y enviarsalidas a amplificadores de potencia para el control de los actuadores; finalmente los sensoreshacen la debida retroalimentacin a la tarjeta de control.
2.6. Sistema electrnico.
Gobernado por la plataforma Arduino que permite la creacin de prototipos, est basada en
software y hardware flexibles para la programacin e integracin de componentes [16,17]; elsistema est dirigido por la tarjeta de control Arduino Sanguino, la cual posee comomicrocontrolador un ATMEGA 644P, sta se encarga de la recepcin de la seal enviadamediante la interfaz USB a RS232, para su posterior interpretacin de cdigo G y conversin enrdenes para las salidas digitales a los actuadores. La Figura 9 muestra un diagrama general delsistema de control.
Las seales generadas por la tarjeta de control son enviadas a tres tarjetas de potencia de cadauno de los motores paso a paso y a una tarjeta controladora del extrusor.
Diseo de la piezaSoftware CAD
Archivo STL
Compilacin
cdi o G
ComunicacinTar eta de control
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Figura 11 Sistema de control de temperatura en la extrusin.
3. RESULTADOS Y DISCUSION
3.1. Construccin del extrusor
A partir de la fundamentacin terica se realizan los clculos y se construye el extrusor con lassiguientes caractersticas:
Generado de energa trmica de 30 W. Espesor del aislamiento trmico 6 mm. Dimetro del cordn de polmero 3 mm. Dimetro de la boquilla 0.5 mm.
La Figura 12 muestra el diseo y la construccin del extrusor:
a. b.Figura 12 a. Diseo CAD del extrusor, b. Extrusor construido
La velocidad mxima permitida para la deposicin del material fundido se muestra en la Tabla 3.
Tabla 3. Velocidad de suministro y deposicin del polmero
MATERIALFLUJO
MSICOVELOCIDAD
LINEAL
VELOCIDADANGULAR DE
LA RUEDADOSIFICADORADE POLMERO
ABS3,4E-4kg/s
1,97E-4m/s
0,058 rad/s
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3.2. Construccin del sistema mecnico
La Figura 13 muestra el sistema mecnico diseado a partir de software CAD y el sistemaconstruido segn las especificaciones tcnicas mostradas en la tabla 4.
a. b.Figura 13 a. Diseo CAD del sistema b. construccin de la impresora
La Tabla 4 muestra las especificaciones tcnicas del movimiento del extrusor en cada ejecoordenado.
Tabla 4. Especificaciones tcnicas del movimiento del extrusor en cada eje
DESCRIPCIN ESPECIFICACINTCNICA
Movimiento en el eje x 0.415 mm/paso
Movimiento en el eje y 0.400 mm/paso
Movimiento en el eje z 0.375 m/paso
3.3 Capas de prueba impresa
En la Figura 14a se muestra una pieza modelada en Solid Edge ST3, la cual ha sido convertida enformato .STL y llevada a cdigo G e interpretada por el software de control de la impresora; comoresultado se han obtenido, como pruebas preliminares, dos capas de impresin hechas con tintapor el sistema construido las cuales se muestran en la Figura 14b, donde se aprecia la
concordancia entre el modelo y el producto.
Figura. 14. a. Pieza: STL idealizada b. Impresin de dos capas de la pieza prueba
4. CONCLUSIONES
El diseo y fabricacin de modelos tridimensionales por prototipado rpido entra a formar parte deprocedimientos productivos, por lo que este proyecto da respuesta a los requerimientos en este
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campo a partir de apropiacin y desarrollo de tecnologa para atender a las necesidades delentorno regional.
Se han integrado diferentes reas del conocimiento relacionadas con el concepto mecatrnico,permitiendo desarrollar una base conceptual, terica y emprica de beneficio para la comunidadacadmica.
El diseo e implementacin del sistema de posicionamiento corresponde a un mecanismo de tresgrados de libertad, con una precisin de respuesta que se ajusta a los criterios de diseodefinidos.
La estrategia definida para el control del sistema mecnico, considera una primera etapa en la quese hace retroalimentacin para posicionamiento a travs de sensores on/off; estableciendo unabase para el desarrollo posterior de una estrategia de control avanzada, que contemple tanto elposicionamiento como la velocidad de avance por ejes y del sistema de inyeccin.
El sistema de control incluye, para la programacin, software licenciado y software libre, cuyaintegracin ha permitido la comunicacin directa con la mquina partiendo del diseo CAD hasta laasignacin directa de coordenadas para gobernar los motores de cada eje.
Finalmente, el diseo del prototipo y su implementacin se convierte en un punto de partida parala construccin de un equipo de aplicacin industrial que considere mejoras tanto del sistema
mecnico como del sistema de control.5. REFERENCIAS
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7/26/2019 Diseo y Construccin de Una Impresora 3d Aplicando La Tcnica de Prototipado Rpido Modelado Por Deposicin
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Tercer Congreso Argentino de Ingeniera Mecnica
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[16] Simon Monk, (2009), 30 Arduino Projects for the Evil Genius, McGraw Hill,[17] Jonathan Oxer. (2009). Practical Arduino: Cool Projects for open source hardware, tia.
AGRADECIMIENTOS
A la Ingeniera Mara Luisa Pinto y al Ingeniero Oliverio Duran y por su continua colaboracin,comprensin y apoyo durante la realizacin del trabajo y compartir su conocimiento en temasconcernientes en la investigacin. De igual forma a los funcionarios de la UniversidadPedaggica y Tecnolgica de Colombia que fueron involucrados en el proceso de laconstruccin de la impresora de prototipado rpido.
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