impresora 3d

PROYECTO FIN DE GRADO

Diseño y construcción de una Impresora 3D FDM

Autor:D. Martin Romero Sánchez

Director:Dr. José Porras Galán

Directora:Dña. Sílvia Fernández Villamarín

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Indice general

1. Introduccion 101.1. ¿Que es una impresora 3D? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.1.1. Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.2. Estado de la cuestion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.2.1. Sinterizado selectivo por laser SLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.2.2. Estereolitografıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.2.3. Deposicion por plastico fundido FDM . . . . . . . . . . . . . . . . 131.2.4. Modelos actuales de impresoras por FDM . . . . . . . . . . . . . . 14

1.3. Motivacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.4. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2. Arquitectura 202.1. Estructura general del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.2. Arquitectura de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.2.1. Arquitectura del Modo Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.2.2. Arquitectura del Modo Standar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.3. Arquitectura electronica y electrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.4. Arquitectura del hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3. Sistema de Posicionamiento 243.1. Eleccion del tipo de posicionamiento lineal . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.1.1. Determinacion de las guıas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.2. Motores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4. Extrusor 294.1. Criterios de diseno del extrusor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294.2. Componentes del extrusor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.2.1. Budas Nozzle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304.3. Control de traccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314.4. Principio de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324.5. Diseno final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334.6. Modelado termico y control de temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.6.1. Metodologıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344.6.2. Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

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DISENO Y CONSTRUCCION DE UNA IMPRESORA 3D - FDM

5. Estructura 365.1. Diseno conceptual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

5.1.1. Criterios de diseno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365.1.2. Disenos estudiados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

5.2. Perfiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385.3. CAD y diseno final de la estructura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

5.3.1. Diseno de las barras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395.3.2. Uniones entre barras - refuerzos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415.3.3. Simulaciones de la estructura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

5.4. Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

6. Bandeja 436.0.1. Requisitos y necesidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

6.1. Diseno basico de la bandeja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436.1.1. Diseno conceptual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436.1.2. Eleccion de componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446.1.3. Diseno final de la bandeja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

6.2. Simulaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456.3. Resultado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

7. Electronica 477.1. Placas principales estudiadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477.2. Electronica de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477.3. Drivers Pololu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

7.3.1. Funcionamiento basico del driver A4988 . . . . . . . . . . . . . . . 497.4. Shield RAMPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

7.4.1. Caracterısticas principales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507.5. Alimentacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517.6. Integracion de equipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517.7. Configuracion del firmware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

7.7.1. Seleccion del puerto serie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527.7.2. Configuracion de la electronica de potencia . . . . . . . . . . . . . 527.7.3. Determinacion de los sensores termicos . . . . . . . . . . . . . . . . 537.7.4. Calibracion mecanica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

8. Host y Comunicaciones 568.1. Requisitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 568.2. Programas host disponibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 578.3. Cura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

8.3.1. Cura Engine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 578.3.2. Cura GUI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

8.4. Control desde Matlab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 628.4.1. Setup.m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 628.4.2. Temperaturas.m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 628.4.3. Envio.m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

9. Integracion de equipos y montaje 659.1. Instrucciones de montaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 659.2. Conexiones y cableados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 699.3. Resultados del prototipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

10.Pruebas y Resultados 7310.1. Determinacion de la resolucion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

10.1.1. Resolucion maxima en eje Z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7310.1.2. Resolucion Maxima en ejes X e Y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

10.2. Caracterısticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7310.3. Prototipos realizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

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11.Futuros Desarrollos 79

12.Plan de Gestion de Riesgos 8012.1. Identificacion de riesgos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

12.1.1. Mecanica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8012.1.2. Electronica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

12.2. Matriz de Probabilidad/Impacto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8112.3. Plan de contingencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

12.3.1. Plan de respaldo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8112.3.2. Protocolo de actuacion en caso de incidencia . . . . . . . . . . . . 82

13.Presupuesto 8313.1. Materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8413.2. Mano de obra directa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8513.3. Presupuesto general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

14.Listado de referencias y planos 8714.1. Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8914.2. Figuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

15.Anexo: Planos 91

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CAPITULO 1

Introduccion

1 ¿Que es una impresora 3D?

Una impresora 3D o maquina de fabricacion aditiva (ambos terminos se van a usarindistintamente) es una maquina capaz de producir objetos y piezas de distintos materia-les. Su cualidad principal es que, en lugar de retirar material de un bloque o emplear unmolde, fabrica las piezas aportando material directamente sobre lo que va a ser el modelofinal. Esto aporta una mayor flexibilidad a la hora de fabricar geometrıas complejas yabarata los costes indirectos relacionados con moldes, herramientas y material sobrante(ya que se aprovecha casi todo).

Existen numerosas tecnologıas, que varıan tanto en los materiales que usan como enel proceso que emplean para construir las piezas con esos materiales. Por ejemplo, puedendepositar plastico fundido con un cabezal o sintetizar un fotopolımero con ayuda de unhaz laser. Todas estas tecnologıas se analizaran dentro de este capıtulo en la seccion 1.2.

Figura 1.1: Impresora 3D [34]

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1.1 Funcionamiento

A continuacion se detalla el proceso de prototipado de una pieza fısica desde la fasede preparacion del modelo hasta la de fabricacion del prototipo. Este proyecto se centraen la ultima.

DESCRIPCION MODELO

Paso 1. Partiendo desde la fase de disenose elabora un modelo CAD que representela pieza que se quiere fabricar.

Paso 2. El modelo se exporta a un forma-to estandarizado para que pueda pasar ala siguente fase. Este formato normalmen-te suele ser .STL. Este formato representala superficie de la pieza mediate una mallade triangulos.

Paso 3. Mediante un programa denomina-do slicer. (Se denomina slicer debido a queel programa ”trocea la informacion del mo-delo y la separa en capas planas para quepuedan ser traducidas en movimientos delplano XY”). La geometrıa del modelo setraduce en movimientos del cabezal o dellaser dependiendo de la tecnologıa que sevaya a utilizar. Estos movimientos se alma-cenan en un archivo en codigo G o Gcode(ambas nomenglaturas se van a emplear in-distintamente). El codigo G es un formatode archivo de instrucciones muy empleadoen control numerico.

Paso 4. El archivo Gcode se envıa a laimpresora y esta produce la pieza especifi-cada.

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2 Estado de la cuestion

La impresion en 3D se remonta a 1984 cuando Chuck Hull (Co-fundador de 3D Sys-tems) patento la primera maquina capaz de generar prototipos mediante Estereolitografıa[1]. Desde entonces han surgido numerosas tecnologıas.

A continuacion se resumen en una tabla las principales tecnologıas disponibles:

Tipo TecnologıasExtrusion Modelado por deposicion fundida (FDM)Hilado Fabricacion por haz de electrones (EBF3)Granulado Sinterizado de metal por laser (DMLS)

Fusion por haz de electrones (EBM)Sinterizado selectivo por calor (SHS)Sinterizado selectivo por laser (SLS)Proyeccion aglutinante (DSPC)

Laminado Laminado de capas (LOM)Fotoquımicos Estereolitografıa (SLA)

Fotopolimerizacion ultravioleta (SGC)

En la actualidad, los tres procesos de fabricacion aditiva mas extendidos en el mercadoson los que se describen a continuacion:

2.1 Sinterizado selectivo por laser SLS

Este metodo consiste en la colocacion de una fina capa de material en polvo en unrecipiente a una temperatura ligeramente inferior a la de fusion del material. Un lasersintetiza el material y solidifica una rebanada de la pieza final. Sucesivas capas de ma-terial se van anadiendo y sintetizando hasta obtener el prototipo deseado. El polvo nosolidificado actua de material de soporte y puede ser reciclado para posteriores trabajos.

Figura 1.2: Proceso SLS [33]

2.2 Estereolitografıa

Este metodo consiste en la curacion y solidificacion de un material fotopolimerico enestado lıquido. Para ello se emplea un laser a la longitud de onda necesaria para que elmaterial solidifique[10].

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Figura 1.3: Proceso de Estereolitografıa [33]

2.3 Deposicion por plastico fundido FDM

En 1992 [11] se patento el metodo de deposicion de plastico fundido (FDM). Estatecnologıa consiste en la deposicion de capas de plastico fundido sobre otras capas parair construyendo el prototipo. Un filamento de material, normalmente ABS o PLA, partede una bobina, pasa por un extrusor a una temperatura superior a la de transicion vıtreadel material, y es extruıdo a traves de una boquilla. Esta boquilla se suele mover graciasa tres motores paso a paso, normalmente cada uno para un eje cartesiano, aunque existenotras maquinas que usan sistemas de movimiento distintos. Debido a que resulta imposi-ble depositar plastico sobre superficies en voladizo, a menudo se emplea un material desoporte soluble en algun determinado compuesto o facil de separar.

Figura 1.4: Proceso FDM [29]

En el proyecto vamos a centrarnos en la tecnologıa FDM. Como se vera en el apar-tado destinado a la motivacion, existen multitud de mejoras que se pueden realizar a latecnologıa actual.

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2.4 Modelos actuales de impresoras por FDM

En la actualidad existen tres grandes grupos de modelos dentro de esta tecnologıa:

Personales autoreplicates DIY1

Personales de calidad media

Profesionales de altas prestaciones

Cada uno ocupa aproximadamente un tercio del mercado actual [4] y difieren nota-blemente en cuanto a calidad, prestaciones, precio y accesibilidad.

Figura 1.5: Mercado ocupado por los diferentes fabricantes[4]

- Personales autoreplicantes DIY

En 2005 surge en la Universidad de Bath el movimiento RepRap, que pretende generaruna Impresora 3D capaz de imprimir otras impresoras. Coincidiendo con la liberacion dela patente FDM en 2006 [11] se producen los primeros prototipos, pero hasta 2007 no llegala publicacion de los planos del primer modelo: Mendel[6]. En la actualidad el proyectoRepRap mantiene 28 modelos2. Todos ellos se encuentran protegidos bajo licencia GPLdel proyecto GNU o Creative Commons. Sus caracterısticas principales son:

Open hardware: Al ser libres y autoreplicantes cualquier persona puede descargar losmodelos 3D de las piezas que las componen, imprimirlos y construir con la ayuda deun manual su propia impresora. Ademas puede aportar mejoras o incluso desarrollar supropio modelo basandose en los modelos ya existentes. Esto ha contribuido a generar unaimportante comunidad de desarrollo a nivel internacional. Muchas empresas han basadosus modelos de impresoras en algunos ya existentes de codigo abierto.

Bajo coste: Estan mas enfocadas hacia su facilidad de montaje y la asequibilidad de suscomponentes. Por ello, el presupuesto para la construccion de una no debe de superar los400e. Su precio resulta bastante reducido en comparacion con el de un equipo comercial,por encima de los 1000e. Tambien pueden adquirirse kits de montaje que incluyen todoslos componentes a partir de 450e. [5]

1Do It Yourself =Haztelo Tu Mismo2a fecha del 27/01/14

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Accesibilidad: Gracias a la difusion mediante internet y a su reducido precio presentanuna mayor facilidad de difusion.

Menores prestaciones: Las tolerancias en su produccion y los materiales empleadosson de menor calidad que otros modelos comerciales. Es por ello que tanto la resolucionde los prototipos como la tasa de piezas correctas por pieza fallida es muy superior.

Dificultad de manejo: Debido a que estan orientadas a unos usuarios avanzados yno al publico general, ası como a sus bajas prestaciones, obtener una calidad aceptablecon su uso no resulta inmediato. No obstante, con los ultimos modelos y tras una buenacalibracion, pueden obtenerse resultados aceptables e incluso mejores que con algunosmodelos comerciales. Por otro lado, la mayorıa no poseen el Marcado CE, con lo cual nopueden ser comercializadas. Se pueden encontrar a la venta en formato de kits de cuyomontaje es responsable el consumidor.

Figura 1.6: Impresora libre Prusa Mendel [31]

- Personales de calidad media

Como alternativa a las impresoras libres caseras surgen una serie de empresas queofrecen modelos comerciales y funcionales desde el primer momento. Algunos ejemplosson los modelos de Makerbot Industries y BFB. Se caracterizan por:

Relacion calidad precio: Ofrecen una muy alta calidad para su precio en compara-cion con los modelos comerciales de gama superior. Son la opcion elegida por muchosparticulares y por pequenas y medianas empresas de diseno y arquitectura.

Facilidad de uso: Al estar enfocadas a un sector no tan tecnico y al poseer el soportede una empresa, estan orientadas a ofrecer una experiencia de uso mas intuitiva.

Garantıa: A diferencia de las impresoras libres autoreplicables, ofrecen una cierta ga-rantıa de funcionamiento. Ademas, todas ellas poseen el Marcado CE que asegura mayorcalidad y seguridad.

- Profesionales de altas prestaciones

Este tipo de impresoras no solo engloba los modelos FDM, sino que todas las otrastecnologıas pertenecen exclusivamente a esta categorıa. Llevan en el mercado mas de dosdecadas y estan orientadas a ofrecer una herramienta de prototipado rapido a empresas

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Figura 1.7: Impresora Comercial Replicator 2 [32]

del sector industrial. Algunos ejemplos son los modelos comercializados por Stratasys o3D Systems. Se distinguen de las otras categorıas por los siguentes puntos:

Altas prestaciones: Las principales caracterısticas de estos modelos son las altas pres-taciones que ofrecen y el amplio abanico de materiales con los que trabajan: desde plasticosy resinas hasta metales. La resolucion llega hasta las pocas decenas de micras, y tanto elacabado como la robustez de los prototipos son muy superiores a los de otros modelos degama mas baja.

Elevado precio: El principal inconveniente es su elevado coste de adquisicion y opera-cion. Necesitan personal cualificado para hacerlas funcionar. Es por ello que su uso quedarestringido al sector profesional.

Compromiso de calidad: La calidad de los prototipos y el buen funcionamiento vie-nen garantizados por las empresas suministradoras de estos equipos. A menudo incluyensoftware propio que asegura un funcionamiento optimo en todo momento. Las revisionesperiodicas a cargo del soporte tecnico contribuyen a una menor tasa de fallos.

Hardware cerrado: Tanto el hardware como los controladores son practicamente inac-cesibles. No se puede operar fuera de los parametros preestablecidos por el fabricante. Estefactor supone un lastre a la hora de realizar trabajos de investigacion.

Figura 1.8: Impresora Profesional UPrint [30]

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Comparando las tres gamas de impresoras 3D vemos claras diferencias y similitudesentre ellas. Las impresoras comerciales de gama baja estan basadas en las impresoraslibres, con lo cual comparten muchas similitudes tanto en el software como en el hard-ware. Estas, a su vez, se basaron en las patentes (ahora libres) de las impresoras FDMprofesionales, por lo que ciertos aspectos mecanicos son similares. Por ejemplo, la mayorıausan sistemas guiados por correas dentadas para la posicion del cabezal, lo cual puededisminuir tanto el area de trabajo como la calidad final obtenida[12].

En la curva calidad-precio (figura 1.9) se refleja la situacion de las tres categorıas deimpresoras. Tanto las personales DIY como las comerciales de gama baja tienden a situarsepor debajo del codo de saturacion. En cambio, las profesionales tienden a sobrepasarlo,pues intentan ofrecer la mayor calidad posible.

Figura 1.9: Relacion calidad-precio

La figura 1.10 compara las distintas cualidades principales de las tres categorıas. Enella se pueden apreciar las virtudes y flaquezas de cada una. Es notable que ningunadestaca a la vez en cuanto a configurabilidad y calidad.

3 Motivacion

En la actualidad, la fabricacion aditiva esta sufriendo una expansion en cuanto asus diferentes aplicaciones. Esta dejando de ser solo una herramienta de prototipadorapido para convertirse en un proceso de fabricacion industrial. Segun Jeremy Rifkin,nos encontramos en el albor de la Tercera Revolucion Industrial[8]. Afirma que en losproximos anos las impresoras 3D van a formar un papel fundamental en el desarrollo dela industria occidental[17]. Poco a poco aparecen nuevas aplicaciones en sectores comola automocion, la aeronautica o la medicina[16]. Pero... ¿Es capaz la tecnologıa actualde cubrir estas nuevas necesidades de una manera rentable y cumpliendo al tiempo losrequisitos de calidad de la industria del momento?

Analizando el estado actual del mercado de impresoras 3D vemos que los modelosexistentes estan orientados a servir como herramientas de prototipado rapido, pero nocomo maquinas capaces de generar productos de consumo finales. Esto se debe en partea dos razones. En primer lugar, la calidad de los prototipos producidos no rinde lascualidades necesarias para ser comercializado o empleado en la industria. Esto se debeprincipalmente a las limitaciones en cuanto a errores dimensionales y geometricos y a lalimitada repetibilidad, ya que muchos prototipos han de ser desechados al no alcanzarla calidad necesaria. Por otro lado, tanto los tiempos como los costes de fabricacion sondemasiado elevados como para alcanzar una produccion economicamente rentable[15]. Portodo ello, en la decada en que nos encontramos deben desarrollarse nuevas alternativas ymejoras a los procesos actuales de fabricacion aditiva[2].

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Figura 1.10: Relacion entre categorıas

4 Objetivos

En este proyecto se pretende construir una maquina de fabricacion aditiva de gama altaque mejore el estado actual de la tecnologıa. El objetivo principal es que la impresion deobjetos mediante FDM pueda servir como metodo de fabricacion industrial. Con respectoa los modelos actuales, se pretende mejorar tanto la calidad como la fiabilidad y el tiempode fabricacion, reduciendo los costes de produccion. Para ello se han definido los siguientesobjetivos a cumplir:

Control de trayectorias de impresion. Esta demostrado que una de las principalesvariables a la hora de determinar la resistencia de un producto fabricado por impresion3D son las estrategias de deposicion en el relleno[20]. Para poder modificar los patrones derelleno y ası mejorar la resistencia de las piezas obtenidas es necesario poseer un softwarede control que nos permita acceder a las instrucciones que se envıan a la maquina ypoder modificarlas. Para ello se va a emplear Matlab, ya que nos permite realizar ambasacciones.

Instrumentacion y registro de datos. Los datos obtenidos durante el funcionamien-to han de llevar un registro de facil acceso. Para ello se propone emplear una serie desensores que monitoricen las variables fısicas y lleven un registro de estas en el ordenador.Para ello se emplearan los toolkits de captacion de datos incluidos en Matlab.

Calidad. La impresora debe ofrecer un rendimiento aceptable para un uso en el ambitode la fabricacion aditiva. Por ello se elige emplear guıas lineales de altas prestaciones. Seha demostrado que las actuales guıas de correas no ofrecen un rendimiento adecuado a lahora de obtener una precision adecuada sin renunciar a la velocidad de impresion[12]. Laestructura debe de ofrecer una cierta rigidez que asegure que los movimientos bruscos dela maquina no van a afectar al resultado final.

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Materiales economicos. Las impresoras de cierta calidad requieren que el plasticoextruido sea de alta calidad y, por consiguiente, su precio es elevado[13]. Para una pro-duccion en serie esto no es viable, por ello uno de los requisitos fundamentales es quepueda operar con materiales mas economicos sin que esto afecte a su vida util.

Mayor velocidad de impresion. Los actuales modelos ofrecen una velocidad de im-presion muy reducida. Esto se debe a que las guıas de correas no permiten aumentarla velocidad sin afectar al rendimiento de la maquina[12]. Al emplear guıas lineales es-te problema se puede mejorar ya que permiten trabajar a una mayor velocidad[14]. Porotro lado las guıas de correas no permiten ofrecer velocidad y precision simultaneamente,mientras que las guıas lineales sı.

Aumentar el volumen de impresion. Debido a las nuevas aplicaciones que estansurgiendo a nivel industrial fuera del ambito del prototipado es necesario poseer unamayor area de fabricacion con el objetivo de poder elaborar piezas mas grandes o multiplesobjetos a la vez. Los modelos actuales estan enfocados al prototipado rapido y no a lafabricacion aditiva, por ello el tamano de las piezas que pueden imprimir esta muy limitadoy en la mayorıa de los casos no supera los 200x200x200mm[13]. Es cierto que existen ciertosmodelos con un volumen de impresion mayor, sin embargo, su precio resulta excesivo. Seva a trabajar con un volumen de 300x300x300mm.

Precio. Otro objetivo a tener en cuenta es el de mejorar el precio de los actuales equi-pos de alta gama. Para ello es necesario ofrecer una calidad aceptable para aplicacionesindustriales sin aumentar excesivamente el coste.

Software y controladores. Ademas de la impresora en sı, hace falta elegir disenary adaptar el software necesario para su funcionamiento desde que se tiene un objetodisenado en 3D con cualquier programa CAD hasta que este comienza a imprimirse.

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CAPITULO 2

Arquitectura

En este capıtulo se realiza un breve analisis y descripcion de la arquitectura y elfuncionamiento de la impresora. No se va a analizar en detalle, sino que se ofrece unavision global. En los siguentes capıtulos se va a profundizar mas en cada seccion.

1 Estructura general del sistema

El proyecto consiste en la construccion de un prototipo, con lo cual resulta necesariointegrar una serie de modulos de hardware y software. La figura 2.5 representa estosmodulos. Una unidad de control dirige a traves de la electronica el hardware de la maquinay recibe los datos extraıdos del hardware tambien a traves de la electronica.

Figura 2.1: modulos del proyecto

2 Arquitectura de control

Uno de los objetivos del proyecto es que la maquina sea lo mas accesible y manejableposible. De este modo se debe de tener un acceso completo en tiempo real a los parametrosde funcionamiento durante el proceso de impresion. No obstante, la puesta en marcha deun sistema tan complejo solo es util para el ambito de la investigacion. El uso diario dela impresora como maquina de fabricacion aditiva no requiere tal monitorizacion. Es porello que en este proyecto se proponen dos modos de funcionamiento:

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Modo Scope: En este modo el usuario controla en todo momento los comandosque ejecuta la maquina y su estado. Puede servir de banco de pruebas para mejorarla configuracion de la misma o como herramienta de investigacion.

Modo Standar: Este es el modo de uso mas comun, en el cual el funcionamientode la maquina es completamente automatico y se simplifica su uso.

2.1 Arquitectura del Modo Scope

En este caso se pretende tener la mayor accesibilidad posible. Es por ello que se va acontrolar la impresora exclusivamente a traves de un software cientıfico a modo de host. Ennuestro caso se recurre a Matlab. La figura 2.2 representa el esquema de funcionamiento.Matlab interpreta el archivo de instrucciones en codigo G y envıa las instrucciones a travesdel puerto serie al que este conectada la impresora. Al mismo tiempo, consulta el estadode la maquina y lleva un registro de los datos recibidos. El usuario puede especificarmodificaciones en los comandos enviados en funcion de los datos recibidos y del procesode impresion, como por ejemplo un cambio en los parametros de control de temperaturao una recalibracion de los ejes en el caso de detectar una perturbacion.

Figura 2.2: Diagrama de bloques del modo Scope

2.2 Arquitectura del Modo Standar

El modo de funcinamiento estandar es el mismo que en el resto de impresoras 3Ddel mercado. El usuario carga un archivo de instrucciones en codigo G y la maquinalo interpreta. En nuestro caso se ofrecen dos alternativas. Por un lado puede cargarlodirectamente a traves de una tarjeta de memoria SD, y por otro, puede conectar laimpresora a un ordenador y enviar los comandos a traves del puerto serie. En este casonecesitara un software que funcione a modo de host. En nuestro caso no se ha desarrolladoninguno, sino que se han analizado los ya existentes y se recomenda el uso de Cura. Lafigura 2.3 representa el funcionamiento en este modo.

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Figura 2.3: Diagrama de bloques del modo Standar

3 Arquitectura electronica y electrica

Este apartado engloba tanto la electronica de potencia como la de control, el firmwa-re empleado y la instrumentacion que emplea la maquina. la figura 2.4 representa estaconfiguracion.

Todo el control se realiza en una placa Arduino MEGA 2560. Esta puede recibirinstrucciones tanto del ordenador como de un panel de control compuesto por un po-tenciometro, un boton y una patalla LCD. Los archivos a imprimir se cargan desde unatarjeta SD, o bien desde el propio ordenador. Los sensores de temperatura envıan las lec-turas a la placa Arduino. Las instrucciones se comunican a la placa de potencia: Ramps1.4, la cual controla tanto los motores como los actuadores de la temperatura. Esta sealimenta a traves de una fuente ATX y da energıa a todo el sistema.

El firmware elegido es Marlin. La alternativa de codigo abierto mas extendida y mejorvalorada por la comunidad de impresoras libres y con mayor soporte y documentacion.

4 Arquitectura del hardware

Por ultimo quedan por definir los componentes de hardware que incorpora el proyec-to. Por un lado posee un bloque extrusor que incorpora los extrusores y se encarga decalentar y depositar el material fundente sobre la bandeja. Por otro lado un sistema deposicionamiento lineal en tres ejes lo situa de acuerdo con los comandos especificados enel codigo G. Existe una estructura que aporta rigidez al sistema y mantiene todos loscomponentes recogidos en su lugar correspondiente. Todo queda aislado del exterior poruna carcasa.

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Figura 2.4: Diagrama de bloques de la electronica

Figura 2.5: Arquitectura del hardware

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CAPITULO 3

Sistema de Posicionamiento

Uno de los elementos mas determinantes (junto con el extrusor) a la hora de obtener unbuen acabado de las piezas prototipadas es el posicionamiento de los ejes. No solo influyenen la calidad de los prototipos, sino que tambien afectan a la velocidad de impresion. Espor ello que hay que prestar una especial atencion a la hora de elegir el sistema deposicionamiento y en su puesta en marcha, destinando la mayor parte de los recursos delproyecto a ello y adaptando el resto de los equipos al sistema elegido.

1 Eleccion del tipo de posicionamiento lineal

Actualmente la mayorıa de las impresoras 3D FDM emplean guıas de correas para elposicionamiento de los ejes. Se trata de un sistema economica aunque presenta una seriede desventajas. Por un lado, al tratarse de un sistema de traccion directa en el que larotacion del motor se transmite directamente al movimiento del eje, no puede ofrecer unaexcesiva resolucion. Por otro lado, las correas, al tratarse de materiales elasticos, tiendena deformarse cuando son sometidas a esfuerzos. Requieren estar en constante tension,con lo cual la perdida de elasticidad de las correas afecta al correcto funcionamiento, loque lleva a la necesidad de un constante mantenimiento. A mayor longitud de trayecto,mayores son los problemas. Por esta razon, si la impresora desarrollada pretende ofreceruna mayor area de trabajo sera necesario emplear otro sistema de posicionamiento.

Como alternativa, se plantea emplear husillos roscados en lugar de correas dentadas.Su uso esta ampliamente extendido en maquinas CNC y de aplicaciones similares querequieran un posicionamiento lineal preciso. Pese a que presentan un coste mayor ofrecenuna serie de ventajas aumentando tanto la resolucion como la precision. Debido a que cadarevolucion del motor se traduce en un movimiento lineal proporcional al paso, aumentala resolucion. Al tratarse de un sistema de transmision rıgido, el efecto de la elasticidadse minimiza al no presentar deformaciones fısicas.

1.1 Determinacion de las guıas

Debido a que se trata de una parte del proyecto crıtica los modulos de posicionamientolineal van a comprarse directamente a un fabricante en lugar de desarrollarlos. De estemodo se obtiene una mayor garantıa de su correcto funcionamiento. Tambien es necesarioque el proveedor sea de calidad para ası ofrecer dichas garantıas.

Se ha elegido como proveedor PBC Linear, ya que ofrece la mejor mejor relacioncalidad-precio dentro del mercado. El modelo ofrecido por este fabricante es el de la

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Figura 3.1: Guıa UGA040D-A10-0400-LS3A2-AJ11-0

referencia: UGA040D-A10-0400-LS3A2-AJ11-0 (figura 3.1) cuyas caracterısticas serecogen en la siguiente tabla (para el criterio de signos consultar la figura 3.2):

Velocidad contınua maxima m/s 1.5Pico de velocidad m/s 4.2Aceleracion maxima m/s2 50Temperatura de operacion oC 0-80Tolerancia del husillo mm/mm 0.0007Peso del raıl kg 0.235Peso total kg 1.086Carga estatica maxima (X,Y,Z) N (111.2,3150,6000)Carga dinamica maxima (X,Y,Z) N (111.2,890,890)Momento maximo (X,Y,Z) Nm (100,130,120)

Figura 3.2: Criterio de signos para las fuerzas

2 Motores

Existen dos posibles tipos de motor para estas guıas. Por un lado estan los motoresDC de corriente contınua, y por otro los motores paso a paso (PaP). A continuacion sevan a exponer las ventajas e inconvenientes de cada uno.

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Motor DC

Figura 3.3: Motor DC

Los motores de corriente contınua po-seen un campo magnetico permanente yunidireccional sobre el cual se coloca uneje con una serie de espiras dispuestas ra-dialmente. Dos escobillas conectadas a unafuente de tension se cortocircuitan con ca-da espira cuando esta esta perpendicular alcampo magnetico. Debido a la Ley de Lenz,en ella se genera un dipolo magnetico quetiende a alinearse con el campo magneticogenerando un par y por consiguiente movi-miento rotacional. Este comportamiento seejemplifica en la figura de la izquierda. ena) las escobillas alimentan la espira y es-ta se alinea con el campo hasta llegar a b)que se desconecta momentaneamente parapasar al estado de c), en el que se vuelvea conectar pero en sentido contrario, cam-biando el signo del dipolo.

En nuestro caso serıa un requisito fundamental emplear una caja reductora para au-mentar la resolucion a costa de perder velocidad de movimiento. Para cerrar el lazo decontrol y ası poder controlar la posicion del motor tambien hay que emplear un encoder.

Motores paso a paso

El funcionamento de este tipo de motores se resume en la figura 3.4. Una serie de bo-binas dispuestas radialmente a un iman permanente se excitan secuencialmente formandoun campo magnetico giratorio al que el iman tiende a alinearse. De esta forma se generaun par en el eje del iman que transmite la fuerza. A cada paso del motor una bobina dejade excitarse y la bobina contigua se excita. No deja de excitarse una y empieza la otrade golpe, sino que cada medio paso las dos se encuentran excitadas y por consiguiente eliman se alinea entre ambas.

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Figura 3.4: funcionamiento de un motor paso a paso

Los Motores PaP ofrecen un posicionamiento mas preciso que los motores DC. Estanestandarizados[3] por la NEMA1 en cuanto a sus dimensiones. Los mas comunes sonlos NEMA-17 (1.7 pulgadas de ancho) y los NEMA-23 (2.3 pulgadas de ancho). Estetipo de motores son los mas usados en aplicaciones de posicionamiento lineal ya que norequieren de un encoder y su correspondiente regulador para posicionarlos. De esta formase mantiene la maxima precision sin cargar el microprocesador.

Figura 3.5: Motor paso a paso

La resolucion de los motores PaP depende del numero de pasos por vuelta. En nuestrocaso vamos a estudiar el mas comun, que es de 200 pasos por vuelta, lo que equivale auna resolucion de 1.8o:

1National Electrical Manufacturers Association

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360

200= 1, 8o

Y teniendo en cuneta el paso del husillo obtenemos una resolucion lineal de:

10000

2000= 50µm

Con lo cual estamos dentro del rango permitido.

2.0 Motor elegido

El motor elegido es el motor Paso a Paso debido a que resulta mas sencillo de controlar(ya que no necesita una retroalimentacion de la posicion para mantenerse estable) y aque ofrecen un mayor par de arranque con respecto a los motores DC. En concreto se vana emplear motores NEMA-17 bipolar “Double Stack” a sugerencia del fabricante de lasguıas.

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CAPITULO 4

Extrusor

Uno de los elementos mas importantes de la maquina de prototipado rapido es elextrusor. Se encarga de calentar, empujar y posicionar el material. Es por ello que juntocon las guıas va a determinar la velocidad maxima a la que puede funcionar la impresora.

1 Criterios de diseno del extrusor

En este proyecto se va a optar por disenar un nuevo tipo de extrusor como alternativaa los disponibles actualmente. Para ello se van a establecer las siguientes preferencias:

El extrusor debe de poder funcionar con dos materiales a la vez.

El extrusor va a estar fabricado en aluminio. De esta forma va a mantener suspropiedades mecanicas aunque se eleve su temperatura.

Simplicidad. Para poder ser fabricado en aluminio y que su coste no se eleve porencima del presupuesto, se va a buscar el diseno mas simple posible de tal modoque resulte facil de mecanizar, incluso sin control numerico.

Piezas sencillas y faciles tanto de integrar como de sustituir. Con el objetivo depoder realizar futuras modificaciones, va a estar compuesto por varias piezas, cadauna con su propia funcion, que sean facilmente sustituibles.

2 Componentes del extrusor

Motor y polea

La polea que se va a emplear consta de un engranaje ovalado encargado de empujarel filamento por el resto del extrusor. La fuerza la ejerce un motor paso a paso acopladoa ella. A este tipo de extrusion se le llama extrusion por traccion directa.

Brazo

El brazo es una pieza que ejerce presion sobre el filamento a la altura del eje del motorcon el fin de aumentar la friccion con la polea y ası evitar que deslice a la hora de extruir.

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Base

Este elemento del extrusor hace de soporte para acoplar todas las piezas y otorgaestabilidad al conjunto.

Extension de Aluminio

Esta parte se encarga de separar los componentes mecanicos de extrusion de la par-te caliente del mismo. Incluye unas aletas de disipacion que evitan que el plastico sereblandezca, aumentando su coeficiente de friccion, y se atranque.

Hot End

El Hot End se compone de un bloque de aluminio para favorecer la transmision termicaen el cual se aloja una resistencia ceramica de 12V y 40W encargada de calentar el bloque.Ademas se incluye un termistor de 100KΩ que va a ser empleado para poder monitorizarla temperatura y ası ejercer un control.

Nozzle

el nozzle se situa a continuacion del bloque calentador y hace de tope antes de queel material salga del extrusor. Al mismo tiempo reduce el diametro del material. Estohace que se pueda emplear un filamento de mayor tamano y resistencia y obtener unadeposicion de menor tamano y mayor resolucion. Por otro lado, tambien aumenta lavelocidad de salida del material, y por consiguiente la velocidad de extrusion.

2.1 Budas Nozzle

La extension de aluminio, el bloque calentador y el nozzle se han adquirido ya inte-grados en un Hot End comercial para evitar complicaciones. Estos componentes resultandifıciles de fabricar debido a que requieren una alta precision y el desarrollo de nuevosmodelos necesita pasar un periodo de pruebas. Se han barajado varios Hot Ends, perofinalmente se ha optado por el modelo Budas Nozzle ya que es el mas respaldado y pre-ferido por la comunidad de impresoras open Source. Entre otras razones esta el hecho deque permite intercambiar el nozzle para poder trabajar con varios diametros de extrusion,estar refrigerado y que existen fabricantes nacionales. A continuacion se muestra una ta-bla comparativa con varios modelos de Hot End:

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MODELO CARACTERISTICAS

Budas Nozzle

Refrigerado: Aletas

Nozzle: Intercambiable

Fabricante: Espanol - Fairy Nozzle

version: 1.4

E3D Refrigerado: Aletas

Nozzle: Intercambiable

Fabricante: 3DE

version: N/A

J-head MKIV

Refrigerado: No

Nozzle: Fijo

Fabricante: China

version: 4.0

simple

Refrigerado: No

Nozzle: Fijo

Fabricante: China

version: N/A

3 Control de traccion

En la actualidad existen dos tipos de sistemas de empuje: traccion directa y traccionindirecta.

Traccion directa: El par que ejerce el motor se transfiere directamente al filamento.

traccion indirecta: El par que ejerce el motor pasa a traves de un sistema deengranajes que reducen la velocidad antes de llegar al filamento.

En nuestro caso se ha elegido la extrusion por traccion directa. Ofrece mayor velocidady, al carecer de una caja reductora, su construccion es mucho mas sencilla. Por otra parte,es cierto que ejerce menos fuerza que la extrusion indirecta, pero para esta aplicacion noes necesaria una fuerza excesiva.

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Tanto el ABS como el PLA aumentan el coeficiente de friccion con la temperatura. Estolleva a un incremento de la resistencia dentro de la extension de aluminio que conecta labase con el Hot End, pudiendo ocasionar atascos y roturas del filamento en el interior deltubo. Este factor limita la velocidad maxima de operacion. Para minimizar este problemase va a incorporar un tubo de PTFE1 (teflon) en el interior del extrusor, de tal forma quesea este el que este en contacto con el plastico, en lugar del aluminio. Esto disminuye lafriccion entre el filamento y el extrusor ya que el coeficiente de friccion entre el PTFE yel ABS es inferior que entre el aluminio y el ABS[22]. Este tubo va desde la base hasta elnozzle por toda la extension de aluminio y va a limitar la temperatura operativa maximaya que el PTFE funde a 260oC. Pero a la hora de trabajar con ABS y PLA no es ningunproblema puesto que funden a una temperatura inferior.

4 Principio de funcionamiento

El funcionamiento del diseno va a constar de dos piezas principales. Por un lado, unapolea va a estar sujeta al eje del motor y va a ser la que engrane con el filamento yejerza el empuje. Para que esto suceda entra en juego la segunda pieza, que se trata de unrodamiento que oprime el filamento contra la polea. Para poder regular esta presion seemplea un muelle enroscado alrededor de un tornillo con una tuerca. Este funcionamientose resume en la figura 4.1

Figura 4.1: Principio de funcionamiento del extrusor

1Politetrafluoroetileno

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5 Diseno final

El diseno final del extrusor se compone de varias piezas. Todas ellas se resumen acontinuacion (figura 4.2):

Figura 4.2: Partes del extrusor

MARCA NOMBRE DESCRIPCION1 Soporte Motores Pieza encargada de soportar los moto-

res y dar consistencia al conjunto.2 Soporte Hot End Pieza que sujeta los Hot End tipo Bu-

das.3 Soporte Extrusor Pieza que permite acoplar todo el ex-

trusor a la guıa.4 Soporte Rodamiento Pieza que sujeta el rodamiento encarga-

do de ejercer presion sobre el filamento.5 nervio opresor Pieza que soporta las barras roscadas6 Barra Roscada Barra Roscada que sirve para regular la

traccon sobre el filamento.7 Motor Motor Nema 178 Hot End Hot End tipo Budas9 Rodamientos Rodamiento que ejerce la presion sobre

el filamento.10 Polea Polea que transmite el par del motor al

filamento.

6 Modelado termico y control de temperatura

Para poder controlar la temperatura es necesario conocer el comportamiento en regi-men transitorio del extrusor a la hora de calentarse. Una vez determinado este compor-tamiento se va a disenar un controlador PID.

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6.1 Metodologıa

Se va a someter al Hot End a un escalon de temperatura. Con un control PID sencillose van a alcanzar 230oC y luego se va a desconectar la alimentacion para registrar los datosdel transitorio. Se asume que se trata de una respuesta a un escalon en la referencia detension con valor negativo. la respuesta a un escalon positivo serıa de la misma magnitudpero con signo contrario.

Se va a intentar aproximar la respuesta a un primer orden, en el caso de que existasobrepaso o retardos se estudiarıa mas detenidamente la planta para ası determinar lalocalizacion de los ceros y de los polos.

6.2 Resultados

A continuacion se muestra el registro de datos obtenido:

Figura 4.3: Respuesta transitoria de la planta

Analizando la forma de onda se puede aproximar a un sistema de primer orden. Ajus-tando la constane de tiempo τ y el sobrepaso, el modelo de respuesta en frecuencia de laplanta queda de la siguiente manera:

P (s) =202

375s+ 1+ T0

Donde T0 es la temperatura ambiente.

Figura 4.4: Respuesta transitoria del modelo

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Se va a optar por un control PID en paralelo (figura 4.5). Al cerrar el lazo se puedeajustar tanto la velocidad de alcance como el sobrepaso. Para este caso en concreto seva a fijar un sobrepaso maximo de 15oC a una senal que indique 240oC. de este modola temperatura alcanzada posee un margen de 5oC antes de llegar a los 260oC, que es latemperatura a la que el teflon pierde sus propiedades. luego suponiendo una temperaturamınima ambiente de 20oC se obtiene un escalon necesario de 220oC. Por lo tanto elsobrepaso es de:

220 + 5

220= 1,07

El sobrepaso maximo que se tolera es de un 7 %.

Figura 4.5: Diagrama de bloques de la planta

El control queda definidos por los siguientes valores:

P 0.08I 0.01D 0.91

La respuesta a un escalon unitario del sistema en lazo cerrado es la siguiente:

Figura 4.6: Respuesta transitoria del modelo incluido el control PID

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CAPITULO 5

Estructura

La estructura va a encargarse no solo de mantener todos los componentes en su lu-gar, sino que tambien aportara rigidez al sistema. Es por ello que requiere una especialatencion no solo su diseno en sı, sino que tambien requiere una adecuada eleccion de loscomponentes que la forman.

1 Diseno conceptual

En la fase de diseno conceptual se pretende ofrecer una vision global de como va aresultar el acabado final de la impresora atendiendo tanto a los aspectos esteticos comoa los detalles tecnicos y criterios a seguir en cuanto a las dimensiones.

1.1 Criterios de diseno

Se van a construir dos camaras separadas. Por un lado estara alojada la camara deconstruccion que alberga las guıas, el extrusor y la bandeja. Es en esta donde se fabricanlos prototipos. Por otro lado se van a encontrar aislados de ella el filamento, la electronicay todos los componentes adicionales. A diferencia de otros modelos de impresoras comolas derivadas del proyecto RepRap que dejan elementos al aire o fuera de la estructura(como la electronica), se pretende que todo quede recogido para que de esta forma seprotejan todos los componentes y se obtenga un producto mas elegante y comodo deusar.

En cuanto a la estetica, se van a definir una serie de patrones a seguir. Debe resultarun diseno ergonomico y comodo de operar. Todos los componentes deben de quedarescondidos. Se pretende ofrecer un diseno limpio y minimalista. Se va a intentar que elancho y la profundidad sean iguales. La altura debe de poseer una proporcion coherenterespecto al ancho. La estructura debe de estar pensada para poder anadir una carcasaexterna.

1.2 Disenos estudiados

De acuerdo con los criterios establecidos se han estudiado una serie de alternativaspara la construccion de la estructura. La figura 5.1a representa el primer diseno que sevaloro durante el proyecto. Se proponen dos camaras separadas por una pared vertical.En una se aloja la zona caliente, donde se realiza el proceso de deposicion, y en la otra sealojan la electronica y la bobina de material. El segundo diseno conceptual corresponde a

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la figura 5.1b y contempla una unica camara. La bobina de material y la electronica quedanfuera de la estructura. Cuatro barras sobresalen verticalmente para protegerlas frente aposibles golpes. Esta proteccion funciona mejor si se coloca una chapa sobre las cuatrobarras. La figura 5.1c muestra el tercer diseno valorado. Es una variante del segundo,solo que esta vez la electronica y la bobina se situan por debajo de la camara caliente.Debido a la posibilidad de la existencia de vibraciones a causa de las sacudidas de lasguıas se ha valorado el diseno de la figura 5.1d que incorpora una camara caliente aisladamediante amortiguadores de la carcasa externa. Este diseno a diferencia de los anterioresincorpora dos bobinas. El quinto y ultimo diseno (figura 5.2) es similar al anterior, conla diferencia de que esta vez las bobinas se encuentran en disposicion vertical y carece deamortiguadores, por lo cual la camara caliente se apoya directamente sobre la estructuraprincipal.

(a) (b)

(c) (d)

Figura 5.1: Disenos conceptuales alternativos estudiados para la disposicion de la estruc-tura y de los equipos.

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Figura 5.2: Quinto y definitivo diseno conceptual

2 Perfiles

La estructura se va a realizar con perfilerıa comercial en aluminio. Debe de ser unperfil sencillo de montar y de integrar con el resto de componentes. El perfil elegido es elperfil ranurado 20x20-6mm tipo B de Motedis. Sus caracterısticas se resumen en la figura5.3. Como se vera en los resultados de simulacion, este perfil cumple con los requisitos derigidez del proyecto.

Figura 5.3: Perfil elegido para las barras

3 CAD y diseno final de la estructura

Una vez determinados los elementos a emplear y el diseno en el que se va a basar, esnecesario elaborar un modelo CAD. Dicha maqueta va a servir para verificar las dimen-siones de la maquina, evaluar los materiales necesarios y simular el funcionamiento enbusca de fallos. Todo el diseno CAD y las simulaciones se han elaborado con el paqueteSolidWorks 2013.

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3.1 Diseno de las barras

Partiendo de los datos suministrados por el fabricante y de una barra de muestra seha elaborado un modelo parametrico quee servira para modelar las distintas longitudes debarra. Estas han sido extruidas de acuerdo con las medidas necesarias y posteriormentemontadas en el ordenador. Notese que existen varias piezas que, pese a poseer dimensionesiguales, se han llamado de distinta forma. Esto es porque, en el caso de querer variar lalongitud de una, si poseen todas el mismo nombre variarıan todas, y por consiguientehabrıa que volver a anadir una pieza nueva y computar de nuevo las relaciones de posiciondel conjunto. La figura 5.4 muestra este criterio.

Figura 5.4: Componentes diferenciados por nombre

La parte mas importante de la impresora son la camara caliente y las guıas, y por ellovan a ser los componentes que marquen las dimensiones del resto. Las guıas miden deextremo a extremo 400 mm (504 contando el motor), con lo que la camara caliente debede medir al menos 400x400 mm de ancho. Sus dimensines se han fijado en 550x550mmpara ası tener un margen de 150 mm a cada lado para posibles cableados. En cuanto ala vertical, hay que procurar tener el mayor recorrido posible, con lo cual no solo hayque tener en cuenta la dimension de la guıa Z, sino que tambien el espacio que ocupanla bandeja y el extrusor. El extrusor y el carril del eje X miden 150 mm, por lo tanto labandeja va a requerir 150 mm = hbandeja. La altura ha de superar el recorrido efectivo(400-hcarril=400-100) y segun el esquema 5.5. La distancia necesaria debe de ser superiora 400 − 100 + hbandeja = 400 + 150 − 100 = 450mm. Se va a aumentar esta distancia a550 mm para ofrecer un margen de seguridad mayor y que quede en concordancia con losejes X e Y.

Figura 5.5: Esquema eje Z

La camara donde se alojan los componentes electronicos y las bobinas va a dimensio-narse de acuerdo con las bobinas, ya que en vertical son los elementos que mas espacioocupan. El diametro de estas oscila entre los 200 y 250 mm de acuerdo con los distintosproveedores, con lo que serıa logico establecer una altura de 300mm en su interior.

En la parte posterior de la maqueta queda un espacio vacıo que sera de gran utilidada la hora de incorporar un sistema de control termico (figura 5.8).

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Figura 5.6: Espacio para control termico

La uniones de las 8 esquinas se han realizado con los componentes suministrados porel fabricante1 (ver figura 5.7).

Figura 5.7: union entre esquinas

La figura 5.8 representa la estructura completa. Las guıas se han incluido como trans-parencias a modo indicativo.

Figura 5.8: Estructura interna

1para mas informacion consulte lel plano 01-S-001-005

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3.2 Uniones entre barras - refuerzos

El fabricante de los perfiles ofrece una serie de alternativas para la fijacion de losmismos. Las elegidas para el proyecto son las que se muestran en la figura 5.9. Partiendode los resultados de simulacion se puede estimar donde sera necesaria una union masrobusta y donde no.

Figura 5.9: Piezas de union entre barras

3.3 Simulaciones de la estructura

para verificar que la estructura disenada es adecuada para la aplicacion se ha preparadoun modelo de simulacion. Debido a que la geometrıa de las guıas resulta demasiadocompleja, se ha simplificado y se han eliminando los motores y los husillos.

Se va a establecer como geometrıa fija toda la base de la estructura que se encuentraen contacto directo con el suelo. las fuerzas que se van a ejercer durante la simulacionvan a ser la gravedad y las fuerzas equivalentes sobre el eje Y. Estas van a suponer unafrenada brusca de 150 mm/s a 0 mm/s en un unico paso del motor. Solo queda establecerla fuerza equivalente, y para ello es necesario conocer la aceleracion. Suponiendo que enel caso extremo se ejerza la maxima aceleracion especificada por el fabricante de 50m/s2

y un peso por guıa de 1,1kg se obtiene una fuerza de 55N en el eje Y. Por ultimo se anadeun peso para el extrusor. Una buena cifra es 0.5Kg, que a pesar de ser mayor que el pesoreal del extrusor ofrece un buen margen de seguridad en el caso de necesitar ser sustituidopor otro modelo. Si se le suma los 0.235kg que pesa el carril la fuerza en el eje X queda

50 ∗ 0,735 = 36,75N

.Aplicando estas restricciones y variables los resultados obtenidos son los que apare-

cen en la figura 5.10. La Deformacion relativa maxima es de 60µm, lo cual es un valoraceptable.

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Figura 5.10: Simulacion de carga maxima

4 Resultados

La estructura resultante es la que se muestra en la figura 5.11.

Figura 5.11: Estructura final

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CAPITULO 6

Bandeja

La bandeja es un elemento determinante a la hora de obtener un buen acabado en losprototipos. De ella dependen tanto la calidad final como las dimensiones con las que sepuede trabajar.

0.1 Requisitos y necesidades

La bandeja ha de ser lo mas plana posible. Ya que se va a trabajar con resolucionesde 100µm cualquier rugosidad o desnivel va a afectar considerablemente a la calidad finalde los acabados o incluso a la maxima resolucion. Tambien debe de ser rıgida para evitarposibles pandeos debidos al peso del material depositado.

Otro requisito que debe de presentar es el de poseer la maxima horizontalidad posiblefrente al plano XY. Por otro lado, serıa conveniente que la horizontalidad fuese posiblede calibrar tanto mecanicamente como por software.

1 Diseno basico de la bandeja

1.1 Diseno conceptual

Al igual que con la estructura, para la bandeja se plantea un diseno previo antes deelegir los materiales y las piezas finales que la formen. Para ello hay que tener en cuentaque se va anclar al carril del eje Z y que posiblemente requiera del uso de algunas barrasauxiliares para evitar pandeos excesivos.

El diseno consiste en un primer marco realizado con los mismos perfiles que la estruc-tura principal que sea el que actue de punto de apoyo. Sobre este se situa la superficieplana de la bandeja sobre la cual se deposita el material. Ambas piezas se unen mediantecuatro tornillos con muelle como se puede apreciar en la figura 6.1 de tal forma que re-sulte sencillo calibrar la maquina. El muelle ejerce presion manteniendo la posicion de labandeja en la longitud maxima que permite el tornillo, de tal forma que si este se hacegirar dicha longitud varıa y la inclinacion cambia.

la figura 6.2 representa el diseno de la bandeja con el que se va a trabajar.

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Figura 6.1: Detalle de los muelles de nivelacion

Figura 6.2: Diseno de la bandeja

1.2 Eleccion de componentes

Superficie plana

La superficie plana va a constar de una chapa de aluminio de 2mm de espesor sujetaa su marco mediante pernos que haga de base y de otra placa sobre la cual se deposite elmaterial. Esta ultima tiene que ser facilmente intercambiable para poder sustituirla, porlo tanto ambas placas van a estar unidas mediante tornillos. La placa movil va a consistiren un espejo que asegure una superficie plana al cual se le cubre con otra plancha deABS de 3mm de espesor para que al depositar el material funda sobre esta y se asegurela mejor sujecion posible.

Tornillos y muelles

Se van a emplear 3 tornillos M3 de 30cm con un muelle de 20mm de longitud y almenos 4mm de diametro interno.

Marco principal

El marco principal, al estar elaborado con los perfiles de la estructura, no requierede ningun calculo. No obstante es necesario comprobar en las simulaciones la posiblenecesidad de aplicar refuerzos en el caso que el pandeo exceda los lımites establecidos de100µm.

1.3 Diseno final de la bandeja

Una vez determinados los componentes se procede a integrarlos dentro de la maqueta.El modelo final que se obtiene es el mostrado en la figura 6.3.

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Figura 6.3: Diseno final de la bandeja

2 Simulaciones

Para asegurar el correcto funcionamiento y verificar que los componentes elegidos sonlos adecuados se va a simular el comportamiento del conjunto bajo las cargas anterior-mente descritas. Los resultados de la simulacion son los que se muestran a continuacion:

Figura 6.4: Simulacion de la bandeja

Obteniendose una flecha maxima de 67µm lo cual es aceptable y se encuentra dentrode un rango permisible.

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3 Resultado

El resultado final de la bandeja con todos sus componentes es el siguiente:

Figura 6.5: Imagen renderizada de la bandeja

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CAPITULO 7

Electronica

1 Placas principales estudiadas

Para este proyecto se han valorado cuatro alternativas para la electronica. Todas ellasestan compuestas por una placa controladora y una de potencia que alimenta los motores.

RAMPS Placa de expansion para Arduino Mega basada en los drivers Po-lolu A4988. Puede controlar hasta 5 drivers y 3 sistemas termicosindependientes. Adicionalmente posee muchos piness de expansionque pueden ser unsados para incorporar funciones adicionales.

Sanguinololu Se trata de una electronica similar a la RAMPS aunque basada enla placa base Sanguino, un clon de Arduino. Es capaz de mover 4drivers.

Gen 7 Este modelo de electronica no es comercial pero sus esquemas demontaje se encuentran en internet bajo licencias libres. Esta di-senada para controlar 4 drivers, aunque su diseno puede ser mo-dificado para controlar mas.

SAV MKI Se trata de un modelo similar a la Gen 7, aunque disenado enEspana. Los esquemas de montaje se encuentran disponibles y sudiseno original solo admite 4 drivers.

la placa elegida es la RAMPS. Las razones por las que se ha elegido son principalmente:que a diferencia de la Sanguinololu es capaz de controlar 5 drivers, dos para los extrusoresy tres para los ejes; y tambien que existen proveedores capaces de suministrala, con locual no hace falta fabricarla como ocurre con la Gen 7 y la SAV MKI.

2 Electronica de control

La electronica de control se basa exclusivamente en Arduino. La placa controladoraelegida es Arduino Mega 2560. Contiene un microcontrolador ATmega2560. Posee 54entradas/salidas digitales de las cuales 15 pueden usarse como salidas PWM, 16 entra-das analogicas, 4 puertos UART1, un oscilador de 16MHz, una entrada de corriente, unpuerto USB, un ICSP y un boton de reset. Debido a todos sus componentes se trata deuna electronica muy completa. La principal ventaja que ofrece es la accesibilidad de la

1Puertos serie

47


plataforma Arduino y la compatibilidad con distintos programas como Matlab y Simu-link. Existe mucha documentacion al respecto y firmwares y funciones ya desarrolladas.La figura 7.1 muestra la distribucion de los pines en la placa.

Figura 7.1: Conexiones Arduino Mega [26]

3 Drivers Pololu

Los drivers son unos circuitos integrados encargados de recibir las senales de controlde la placa Arduino y transmitir los impulsos necesarios a los motores paso a paso. Elmodelo a emplear va a ser el Driver A4988 distribuido por Pololu Electronics. Sus carac-terısticas principales de funcionamiento se resumen en la siguiente tabla[27]:

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Caracterıstica Sımbolo Valor UnidadesTension maxima de alimentacion VBB 35 VCorriente salida IOUT 2 ASenal de entrada VIN 0.33 - 5.5 VTension de salida maxima VOUT 35 VSensibilidad VSENSE 0,5 VTension de referencia VREF 5,5 VTemperatura de operacion TA -20 – 85 oCTemperatura maxima de soldadura TJ 150 oCTemperatura de almacenamiento TS -55 – 150 oC

3.1 Funcionamiento basico del driver A4988

Figura 7.2: Diagrama de bloques del integrado A4988 [27]

Los elementos de los cuales esta compuesto el driver se resumen en la figura 7.2. Eldriver recibe seis senales basicas:

STEP: Un cambio de LOW a HIGH hace que el motor gire un incremento.

DIR: Indica la direccion de giro.

RESET: En el caso de estar negada resetea el dispositivo.

MS1, MS2 y MS3: Indican la resolucion de cada incremento.

Un bloque traductor se encarga de traducir estas senales a la logica interna del drivery comunica las senales a la unidad de control. Esta gestiona dos puentes DMOS, uno paracada bobina del driver. Al mismo tiempo, un convertidor DAC alimenta cada puente apartir de las senales recibidas en MSx.

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4 Shield RAMPS

La shield RAMPS es la base de la electronica. Se monta directamente sobre la placaArduino y ofrece el soporte necesario para integrar los demas elementos.

Figura 7.3: RAMPS conectada con Arduino y los drivers A4988

4.1 Caracterısticas principales

A continuacion se describen las principales caracterısticas de la placa RAMPS[28]

Esta disenada para controlar tanto el robot cartesiano de posicionamiento como losextrusores.

Expandible para poder controlar otros accesorios.

MOSFETS para controlar los calentadores y 3 circuitos termicos de control.

Protegida por un fusible de 5A.

Dispone de una electronica aparte con un fusible a 11A para controlar elementosque requieran mas potencia.

Admite 5 placas Plolu A4988.

Dispone de pines para que las placas Pololu se puedan sustituir con facilidad.

Pines I2C y SPI disponibles para expansiones.

Todos los MOSFETS estan conectados a los pines PWM para ofrecer mas versati-lidad.

USB tipo B.

LEDs avisan si los calentadores estan conectados.

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5 Alimentacion

De acuerdo a los requisitos del proyecto va a ser necesaria una fuente de alimentacionexterna, pues la alimentacion por USB esta limitada a 900 mA. El equipo necesita unafuente capaz de suministrar 12(5 + 11) = 192W . Una fuente de ordenador ATX2 es capazde ofrecerlo.

6 Integracion de equipos

Como ya se ha comentado en la seccion anterior, todos los distintos equipos y compo-nentes se integran basandose en la placa RAMPS. La figura 7.4 representa el conexionadoentre ellos.

Figura 7.4: Integracion de los distintos equipos

2Advanced Technology Extended

51


7 Configuracion del firmware

Como ya se introdujo anteriormente, el firmware elegido en este caso es Marlin. Mar-lin es un firmware disenado para ser usado en impresoras de la familia RepRap, pero esfacilmente adaptable a cualquier otra. Ha sido desarrollado por Erik Zalm bajo licenciaGPL. Actualmente su codigo fuente esta disponible para su descarga libre y gratuita des-de GitHub:

https://github.com/ErikZalm/Marlin

Para configurarlo unicamente hay que seguir los siguientes pasos:

7.1 Seleccion del puerto serie

El primer paso es establecer el puerto serie que se va a usar, para ello, seleccionamos enla lınea 24 el valor. En nuestro caso es el puerto 0 ya que es el que se encuentra conectado alchip FTDI serie-USB. De esta forma nos podemos comunicar con el ordenador a traves delpuerto USB. En el caso de querer acoplar algun dispositivo wireless habra que seleccionarsu puerto correspondiente.

#define SERIAL_PORT 0

El siguiente paso es seleccionar la velocidad de transferencia. 115200 baudios es unabuena opcion ya que se trata de la velocidad maxima que soporta la terminal de Arduino yası se puede usar para enviar instrucciones en el caso que queramos realizar un debugging.

#define BAUDRATE 115200

7.2 Configuracion de la electronica de potencia

Para configurar la electronica de potencia primero hay que seleccionar la placa queusemos en la lınea 75. Para la impresora del proyecto es la opcion 34.

//// The following define selects which electronics board you have.Please choose the one that matches your setup

// 10 = Gen7 custom (Alfons3 Version) "https://github.com/Alfons3/Generation_7_Electronics"

// 11 = Gen7 v1.1, v1.2 = 11// 12 = Gen7 v1.3// 13 = Gen7 v1.4// 2 = Cheaptronic v1.0// 20 = Sethi 3D_1// 3 = MEGA/RAMPS up to 1.2 = 3// 33 = RAMPS 1.3 / 1.4 (Power outputs: Extruder, Fan, Bed)// 34 = RAMPS 1.3 / 1.4 (Power outputs: Extruder0, Extruder1, Bed)// 35 = RAMPS 1.3 / 1.4 (Power outputs: Extruder, Fan, Fan)// 4 = Duemilanove w/ ATMega328P pin assignment// 5 = Gen6// 51 = Gen6 deluxe// 6 = Sanguinololu < 1.2// 62 = Sanguinololu 1.2 and above// 63 = Melzi// 64 = STB V1.1// 65 = Azteeg X1// 66 = Melzi with ATmega1284 (MaKr3d version)// 67 = Azteeg X3// 68 = Azteeg X3 Pro

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// 7 = Ultimaker// 71 = Ultimaker (Older electronics. Pre 1.5.4. This is rare)// 72 = Ultimainboard 2.x (Uses TEMP_SENSOR 20)// 77 = 3Drag Controller// 8 = Teensylu// 80 = Rumba// 81 = Printrboard (AT90USB1286)// 82 = Brainwave (AT90USB646)// 83 = SAV Mk-I (AT90USB1286)// 9 = Gen3+// 70 = Megatronics// 701= Megatronics v2.0// 702= Minitronics v1.0// 90 = Alpha OMCA board// 91 = Final OMCA board// 301= Rambo// 21 = Elefu Ra Board (v3)

#ifndef MOTHERBOARD#define MOTHERBOARD 34

A continuacion, en la lınea 86 se define el numero de extrusores, que en nuestro casoson 2:

Por ultimo hay que indicar que fuente de alimentacion se va a emplear. La disponibleen el prototipo sera una fuente ATX empotrada en el, pero tambien se puede emplearuna fuente externa como la que usa la videoconsola Xbox.

//// The following define selects which power supply you have. Pleasechoose the one that matches your setup

// 1 = ATX// 2 = X-Box 360 203Watts (the blue wire connected to PS_ON and the red

wire to VCC)

#define POWER_SUPPLY 1

7.3 Determinacion de los sensores termicos

los sensores termicos que se van a emplear son termistores de 100KΩ Honeywell.

//===========================================================================

//=============================Thermal Settings============================

//===========================================================================

////--NORMAL IS 4.7kohm PULLUP!-- 1kohm pullup can be used on hotend

sensor, using correct resistor and table////// Temperature sensor settings:// -2 is thermocouple with MAX6675 (only for sensor 0)// -1 is thermocouple with AD595// 0 is not used// 1 is 100k thermistor - best choice for EPCOS 100k (4.7k pullup)// 2 is 200k thermistor - ATC Semitec 204GT-2 (4.7k pullup)// 3 is Mendel-parts thermistor (4.7k pullup)

53


// 4 is 10k thermistor !! do not use it for a hotend. It gives badresolution at high temp. !!

// 5 is 100K thermistor - ATC Semitec 104GT-2 (Used in ParCan & J-Head)(4.7k pullup)

// 6 is 100k EPCOS - Not as accurate as table 1 (created using a flukethermocouple) (4.7k pullup)

// 7 is 100k Honeywell thermistor 135-104LAG-J01 (4.7k pullup)// 71 is 100k Honeywell thermistor 135-104LAF-J01 (4.7k pullup)// 8 is 100k 0603 SMD Vishay NTCS0603E3104FXT (4.7k pullup)// 9 is 100k GE Sensing AL03006-58.2K-97-G1 (4.7k pullup)// 10 is 100k RS thermistor 198-961 (4.7k pullup)// 20 is the PT100 circuit found in the Ultimainboard V2.x// 60 is 100k Maker’s Tool Works Kapton Bed Thermistor beta=3950//// 1k ohm pullup tables - This is not normal, you would have to have

changed out your 4.7k for 1k// (but gives greater accuracy and more stable

PID)// 51 is 100k thermistor - EPCOS (1k pullup)// 52 is 200k thermistor - ATC Semitec 204GT-2 (1k pullup)// 55 is 100k thermistor - ATC Semitec 104GT-2 (Used in ParCan & J-Head

) (1k pullup)//// 1047 is Pt1000 with 4k7 pullup// 1010 is Pt1000 with 1k pullup (non standard)// 147 is Pt100 with 4k7 pullup// 110 is Pt100 with 1k pullup (non standard)

#define TEMP_SENSOR_0 71#define TEMP_SENSOR_1 71#define TEMP_SENSOR_2 0#define TEMP_SENSOR_BED 0

A continuacion se establece la maxima temperatura a la que se puede exponer a losextrusores. Por ultimo, se establecen los valores del control PID para las temperaturas.

#define DEFAULT_Kp 22.2#define DEFAULT_Ki 1.08#define DEFAULT_Kd 114

7.4 Calibracion mecanica

Por ultimo hay que establecer los parametros de calibracion mecanica en las lıneas440-445.

Primero hay que establecer los pasos por unidad de longitud. Como se vio el el capıtulo3, La cantidad de pasos por unidad de longitud para los tres ejes es de 325, mientras quepara el extrusor es de 105.

#define DEFAULT_AXIS_STEPS_PER_UNIT 325,325,325,760*1.1*0.125 //default steps per unit for Ultimaker

#define DEFAULT_MAX_FEEDRATE 500, 500, 5, 25 // (mm/sec)#define DEFAULT_MAX_ACCELERATION 500,500,100,10000 // X, Y, Z

, E maximum start speed for accelerated moves. E default values aregood for Skeinforge 40+, for older versions raise them a lot.

La ultima tarea consiste en establecer los valores de maxima velocidad y aceleracionque se disponen a continuacion:

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#define DEFAULT_ACCELERATION 500 // X, Y, Z and E maxacceleration in mm/sˆ2 for printing moves

#define DEFAULT_RETRACT_ACCELERATION 500 // X, Y, Z and E maxacceleration in mm/sˆ2 for retracts

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CAPITULO 8

Host y Comunicaciones

El host o controlador es un programa que se ejecuta dentro de un ordenador y permitecomunicarse con la impresora y controlarla. Hay muchas alternativas de codigo abiertodisponibles. Hay incluso algunas que incluyen el Slicer y el host en un mismo paquete.En este capıtulo se va a exponer el host elegido para la impresora. Como ya se ha co-mentado anteriormente en la intriduccion del proyecto, se descarta desde un principio eldesarrollo completo de un programa Host ya que existen multitud de ellos disponibles yson perfectamente compatibles con la impresora. No obstante, con el objetivo de podermonitorizar el comportamiento de la misma y ası optimizar los parametros de impresion,se han elaborado una serie de scripts en Matlab para tales fines.

1 Requisitos

Existe una serie de requisitos del controlador que deben cumplirse. A continuacion sedetallan:

Completo. Ha de ser un software completo que integre todos los elementos nece-sarios para poder controlar la impresora desde el momento en el que se obtiene unmodelo 3D desde un programa CAD convencional hasta que se imprime, pasandopor todas las fases de preparacion.

Facilidad de uso. El controlador ha de ser facil tanto de instalar como de operar.Se buscara que resulte lo mas intuitivo posible.

Inteoperatibilidad El programa debe de tener versiones estables tanto para Win-dows como para Mac y GNU/Linux.

Acesibilidad Con el objetivo de poder realizar modificaciones o estudiar el codigoen futuros proyectos es necesario que sea de codigo abierto. Tambien serıa conve-niente que se le pudiesen incorporar macros y plugins con el objetivo de modificarel comportamiento sin necesidad de alterar el codigo fuente.

Ligereza. Ha de ser un programa ligero a la hora de trabajar, que no consumaexcesivos recursos del ordenador.

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2 Programas host disponibles

En esta seccion se analizan las principales alternativas disponibles. Debido a que unode los objetivos del proyecto es que la impresora sea accesible, el host debe de ser decodigo abierto. De cara a futuros desarrollos resulta mas sencillo incluir modificaciones oincluso comenzar un fork1.

Las principales alternativas se recogen en la siguiente tabla[23]:Compilador Slic3r Cura SkeinForge Reprap RepSnapper

Autores alexj Daid Enrique RepRap.org KulitorumOpciones 5D, 3D 5D, 3D 5D, 3D 5D 5D, 3D

STL true true true true trueMultiples STLs false true false true trueEntrada RFO false trueSalida GCode true true true true trueSalida RFO false false false trueVelocidad fast very fast average average fast

El Host seleccionado para el proyecto es Cura debido a que se trata de un softwareligero, integra todos los componentes necesarios para controlar la impresora, su codigo esaccesible2, se trata de un programa muy intuitivo y facil de usar y por ultimo posee elapoyo y soporte de Ultimaker, con lo cual se asegura una continuidad en el desarrollo deversiones estables para las distintas plataformas.

3 Cura

El host Cura se compone de dos programas. Por un lado tenemos El Cura Engine, quese trata de una aplicacion en CLI3 que se ejecuta directamente en la lınea de comandosy es la encargada de generar los archivos de instrucciones en codigo G. Por otro ladoesta Cura, que se trata de un conjunto de instrucciones en Python que actuan a modode interfaz grafica para Cura Engine y de controlador para enviar las instrucciones a laimpresora. En adelante, a este ultimo se le hara referencia como Cura GUI4. La versionempleada en este proyecto es la 14.07 para GNU/Linux de 32bits. Las instrucciones determinal mostradas son validas para GNU/Linux, Windows y Mac.

3.1 Cura Engine

Este programa esta escrito en C++ y emplea la librerıa Clipper para trabajar en elproceso de slicing. Es de codigo abierto y esta publicado bajo los terminos de la licenciaAGPLv3.

Para emplearlo hay que llamarlo desde la consola de comandos de la siguiente manera:

CuraEngine [-h] [-v] [-m 3x3matrix] [-c <config file>] [-s <settingkey>=<value>] -o <output.gcode> <model.stl>

Los argumentos principales a tener en cuenta son los que se describen a continuacion:

1Un fork, que es un programa basado en otro y elaborado por desarrolladores independientes.2https://github.com/Ultimaker/3Command Line Interface4Graphical user interface

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OPCION DESCRIPCION

-h Mostrar ayuda

-cCargar ajustes desde un archivo de con-figuracion .ini

-scambia el valor de settingskey por el devalue solo para esta sesion

-o OUTPUT, --output=OUTPUT Ruta de salida del archivo GCODE

3.2 Cura GUI

La GUI de Cura esta desarrollada en Python, con lo cual no requiere de compilacionalguna. Puede usarse directamente desde la lınea de comandos o cargando la venta grafica.

lınea de comandos

Esta opcion es recomendable si lo que se desea es preparar scripts que automaticenlos procesos de impresion, controlar la impresora a traves de internet, a traves de SSHpor ejemplo, o si lo que se desea es empotrar un controlador en una maquina de bajosrecursos que se integre detro de la misma impresora y ası autonomizarla para que nodependa de un ordenador externo. Para su uso hay que seguir los pasos que se describena continuacion:

A traves de la lınea de comandos nos situamos dentro de la carpeta donde se encuen-tran guardados los archivos del programa y ejecutamos Cura. Este carga una instruccionque envıa los argumentos a un script en python que ya se encarga de llamar al programaCura Engine para que se ejecute en un segundo plano y genere el archivo de instruccio-nes GCODE o comienza a comunicarse con la impresora. Para ello hay que escribir elsiguiente comando:

$ cura [options] <filename>.stl

En donde filename es la ruta del modelo que se quiere imprimir y options los argu-mentos de configuracion que se listan a continuacion:

OPCION DESCRIPCION

-h, --help Mostrar ayuda

-i PROFILEINI, --ini=PROFILEINI Cargar ajustes desde un archivo .ini

-r PRINTFILE, --print=PRINTFILE Carga la interfaz grafica de impresion

-s, --sliceRealiza el slicing en lugar de abrir elarchivo .stl en la interfaz grafica

-o OUTPUT, --output=OUTPUT Ruta de salida del archivo GCODE

--serialCommunication=P:B

inicia el protocolo de comunicacion se-rial desde la lınea de comado para po-der enviar los comandos a la impresoraen el puerto P y a una velocidad de Bbaudios

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Ventana grafica

La ventana grafica se carga directamente desde el programa principal, como cualquierotro programa. Dependiendo del sistema operativo y del gestor de ventanas que se use serealizara de un modo u otro.

La figura 8.1 muestra la interfaz de usuario de CURA GUI. En el panel de la izquierdamuestra la configuracion de la impresion donde se pueden modificar todos los parametrosde la impresora. Posee cuatro pestanas:

Basic. En esta se configuran los parametros basicos: como el espesor de capa, elrelleno o la velocidad.

Advanced. Configuraciones avanzadas para usuarios expertos tales como la retrac-cion del filamento cuando no extruya o los parametros de la primera capa.

Plugins. Habilitar plugins para modificar el comportamiento de la impresora. Estosse programan en Python.

Start/End-GCode. Permite variar la cabecera y el final del GCode que se genera.

En la parte superior aparecen tres pestanas que permiten cargar un modelo, exportarlas instrucciones a una tarjeta SD o compartir el modelo en la web de Ultimaker. Enel caso de que la impresora este conectada, tambien aparecerıa la opcion de imprimirdirectamente.

Figura 8.1: Ventana principal de Cura GUI

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Si hacemos clic en el primer icono aparece la opcion de cargar modelo (figura 8.2).

Figura 8.2: Ventana para cargar modelos 3D

Una vez cargado el modelo, lo dispone en el centro de la plataforma, pero con ayudadel raton se puede desplazar por ella.

Figura 8.3: Visualizacion del modelo

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En el panel inferior aparecen nuevamente tres iconos. Uno de ellos nos permite escalarel modelo como se muestra en la figura 8.4, mientras que los otros permiten rotarlo (figura8.5) o reflejarlo.

Figura 8.4: Opcion de escalado

Figura 8.5: Opcion de rotacion

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En el panel superior de la derecha se puede cambiar el modo de visualizacion. Porejemplo, se puede visualizar el trayecto que sigue el cabezal capa a capa, como se puedeapreciar en la figura 8.6.

Figura 8.6: Visualizacion de capas

4 Control desde Matlab

Uno de los puntos flacos de todos los programas host (incluido Cura) es que estanpensados para controlar impresoras 3D, no para realizar una exhaustiva monitorizaciony posterior analisis de los datos. Para este fin se han elaborado una serie de scripts enMatlab que han sido empleados para optimizar los parametros de impresion (temperatura)y que pueden servir de base para futuros proyectos. Estos scripts son los que se detallana continuacion:

Setup.m inicializa la comunicacion con la impresora.

Envio.m envıa comandos en codigo G directamente desde Matlab y registra losdatos.

Temperaturas.m registra el transitorio de temperaturas en un extrusor.

4.1 Setup.m

Este script pide al usuario la informacion acerca del puerto serial al que se encuentraconectada la impresora y lo abre para que el resto de scripts puedan funcionar.

puerto=input(’Ingrese el puerto serial a usar: ’);baudios=input(’Baud Rate (115200): ’);s1 = serial(puerto, ’BaudRate’, baudios);fopen(s1);s1

4.2 Temperaturas.m

Este ultimo archivo se encarga de registrar el transitorio de temperaturas para unaentrada. Permite modificar los parametros del PID para ası poder evaluar la planta.

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ts=1; % tiempo de muestreo

fprintf(s1,’M301 P1 I9999999 D0’); %Parametros del control PIDfprintf(s1,’M104 S230’); %temperatura que se quiere alcanzar

i=0;tic; %usado para controlar el tiempot_ac=0; %tiempo acumulado

while 1

%Este comando se puede modificar para escanear cualquier variable.fprintf(s1, ’M105’);idn = fscanf(s1);A = sscanf(idn,’ok T:%f’); %Escaneo la temperatura del primer

extrusor

if toc>ts %si el tempo supera el tiempo de muestreot_ac=t_ac+toc; %el tiempo acumulado se incrementatemp(1,i)=t_ac; %registro el tiempotemp(2,i)=A; %registro la temperaturai=i+1;tic; %reseteo el tiempo

end

endfclose(’all’)

4.3 Envio.m

Este script recibe un archivo de instrucciones en codigo G y lo prepara en una matrizpara ser enviado. Una vez lo tiene listo envıa las instrucciones comando a comando yregistra las temperaturas y el tiempo de ejecucion. Estos valores los almacena en unvector en formato string de tal modo que luego sea sencillo obtener de ellos los datosnecesarios.

%Prepara las instrucciones a enviar. Las almacena en una matriz queluego

%va a enviar.[gcode, Dir_gcode] = uigetfile(’*.gcode’, ’Seleccione un archivo GCODE’

);

if isequal(gcode,0)return;

elseArchivo=fullfile(Dir_gcode, gcode);

endDat = fopen(Archivo,’r’);

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n=1;while ˜feof(Dat)

leer_linea = fgetl(Dat);if isempty(leer_linea) || ˜ischar(leer_linea), break, endC(n)= cellstr(leer_linea);n=n+1;

endfclose(Dat);C=C’;disp(C);

%%Envia las instruccionesi=1;tic; %inicializo el relojwhile i<n

comando=Ci,fprintf(s1,’%s\n’,comando);

fprintf(s1, ’M105’); %Pregunto por la temperaturaidn = fscanf(s1);Temperaturas_string = sscanf(idn,’%s’); %Escaneo la temperatura

del primer extrusor

%aqui se le pueden incorporar mas comandos para la lectura devariables

iempo=toc; %almaceno el tiempo

i=i+1;endfclose(’all’)

64

CAPITULO 9

Integracion de equipos y montaje

En este capıtulo se va a mostrar como ha sido el montaje del prototipo de la impresoray la puesta en marcha de todos los equipos.

1 Instrucciones de montaje

PASO INSTRUCCIONES IMAGEN

1

Con cuatro perfiles P-550 y cua-tros esquinas C-S01 realizar unmarco como se aprecia en la ima-gen. Repetir esta operacion parados marcos

2 Emplear tornillos M4x8.

3

En uno de los marcos anadir auna distancia de 120mm de unode los extremos otro perfil P-550que sujetara el mastil del eje Z.

65



4Emplear dos placas conectorasC-S04 y tornillos M4x6.

5

Unir los dos marcos con perfilesP-850. A una distancia de la basede 550mm colocar cuatro barrasP-550 mas como se aprecia en laimagen y como se puede consul-tar en el plano 01-S-001-005. Elperfil doble D-530 debe colocarseal medio de una de ellas como sepuede ver en el mismo plano.

6Para fijar los perfiles P-550 em-plear las escuadras C-S02 de40x40mm y tornillos M4x6.

7La viga doble se une median-te placas en L C-S03 y tornillosM4x6.

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8 Acoplar el eje X.

9 Emplear tornillos M4x20.

10 Acoplar el eje Y.

11Usar la placa conectora C-G01 yla doble T G-102.

12la doble T G-102 se une mediantetornillos m4x20.

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13 Incorporar ej eje Z.

14

Usar la placa conectora G-111para unirlo por la parte superioral perfil P-550 y al D-530. Usar laplaca conectora G-121 para unir-lo al D-530 por la parte inferior.Emplear tornillos M4x20. Paraensamblarlo seguir las indicacio-nes dispuestas en el plano 01-C-000-005.

15Incorporar al carril del eje Y losextrusores.

16 Anadir la bandeja.

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17La bandeja se une directamenteal carril del eje Z mediante tor-nillos M4x25.

2 Conexiones y cableados

Las conexiones y los cableados se realizan de acuerdo al plano 01-T-001-001. Aunqueexiste libertad a la hora de realizarlo, hay que tener en cuenta la disposicion de los equipos.Los cables han de trazarse por las ranuras del perfil tipo B empleado en la estructura ysujetarse con bridas cada 20cm.

3 Resultados del prototipo

A continuacion se muestran una serie de imagenes del prototipo montado:

Figura 9.1: Sujecion de sensores con clema para que puedan ser sustituidos con facilidad

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Figura 9.2: Sujecion de cables con brida

Figura 9.3: Muelle para calibrar la base

70


Figura 9.4: Detalle de la fuente de alimentacion, en este caso una fuente ATX

Figura 9.5: Detalle de la polea que empuja el filamento

71


Figura 9.6: Detalle de los extrusores

Figura 9.7: Detalle de la impresora completa

72

CAPITULO 10

Pruebas y Resultados

Como protocolo de pruebas se van a realizar una serie de ensayos para determinar lamaxima resolucion que se es capaz de obtener y la tolerancia. Del mismo modo se va alanzar una serie de piezas a distintas velocidades.

1 Determinacion de la resolucion

Para determinar la resolucion maxima se va a dividir el ensayo en dos partes. Por unlado se va a establecer la maxima resolucion en el eje Z y por otro lado en los ejes X e Y.

1.1 Resolucion maxima en eje Z

Para determinar la maxima resolucion en el eje Z se va a prototipar un cilindro de20mm de diametro (figura 10.1) a distintos espesores de capa hasta obtener el lımite.

Este limite se ha alcanzado en los 0,025µm. A partir de ese espesor comienza a producirfallos.

1.2 Resolucion Maxima en ejes X e Y

Para determinar la maxima resolucion en los ejes X e Y se va a imprimir el benchmarkde la figura 10.2.

Como resultado se ha obtenido que la resolucion maxima (coincidente con el verticede la forma triangular) es de 400µm. No obstante hay que tener en cuenta que el ensayose ha realizado con una boquilla de 0.35mm, en el caso de emplear una de menor tamanose alcanzara una mayor resolucion.

2 Caracterısticas

A continuacion se resumen las caracterıstiscas de la impresora:IMPRESORA ROME-01Dimensiones 85 x 59 x 59 cmVolumen de impresion 310 x 310 x 310 mmAncho de capa 0.025mmResulucion XY 0.4mmNo de extrusores 2Velocidad de impresion 200mm/s

73


Figura 10.1: Cilindro empleado en el ensayo de maxima resolucion en el eje Z.

Figura 10.2: Benchmark para la determinacion de la maxima resolucion en los ejes XY.

74


3 Prototipos realizados

Para verificar el funcionamiento correcto ante situaciones reales se ha decidido proto-tipar una serie de ejemplos con distintas geometrıas. A continuacion se muestran algunos.

Figura 10.3: Benchmark para la determinacion de la maxima resolucion en los ejes XY.

Figura 10.4: Cilindro empleado en el ensayo de maxima resolucion en el eje Z. Esta impresocon un espesor de capa de 50µm.

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Figura 10.5: Cilindro empleado en el ensayo de maxima resolucion en el eje Z junto conun calibre.

Figura 10.6: Fallo al superar las 0,25µm de resolucion.

76


Figura 10.7: Dos maquetas del Empire State realizadas a 100mm/s (izquierda) y 200mm/s(derecha).

Figura 10.8: Visualizacion del relleno en un Empire State.

77


Figura 10.9: Pieza realizada con material de soporte.

Figura 10.10: Prototipo de una mano imprimiendose con una resolucion de 100µm.

78

CAPITULO 11

Futuros Desarrollos

Una vez concluido el proyecto se establecen los siguientes posibles fututros desarrollos.Todos ellos van a emplear como material base la documentacion redactada en este proyectoy el prototipo montado.

Terminar el prototipo. El prototipo montado no ha sido cerrado ni aislado delexterior. Con lo cual necesita ser terminado.

Desarrollar un control termico que regule la temperatura de la camara.Para ello hay que analizar y estudiar mas detenidamente el efecto de la temperaturasobre las capas de los prototipos y ajustarla para obtener los mejores resultados.

Realizar un protocolo de calibracion y ajuste fino. Para ello habra queprepa-rar un riguroso plan de pruebas y llevarlo a cabo con el objetivo de determinar losfactores que afectan al funcionamiento de la maquina y reajustarla para minimizarlos fallos.

Mecanizar las distintas piezas del extrusor con una maquina CNC. Elprototio ha sido realizado a mano y por consiguiente presenta uan calidad aceptablepara un prototipo, pero su acabado final debe de mejorarse si se quiere comercializar,para ello lo mejor es mecanizar las piezas en aluminio mediante maquinas CNC. Nose descarta la posibilidad de contratar a una empresa especializada.

Mejorar el software actual. El controlador empleado no ha sido disenado paraesta impresora, sino que ha sido adaptado. Es por ello que en un futuro si se deseaproseguir con la mejora de la impresora es necesario estudiar la posibilidad dedesarrollar un software propio.

Desarrollar una electronica propia. Al igual que ocurre con el software un puntoa tener en cuenta es que de cara a futuro va a ser necesario disenar una electronicapropia que cumpla con las necesidades de la maquina.

Establecer un registro de datos. Para su uso en ambitos de investigacion resultanecesario monitorizar el comportamiento. Pese a que se han elaborado una serie descripts en Matlab para ello, resulta necesario mejorarlos y aumentar la cantidadde datos a procesar. Para ello tambien sera necesario sensorizar debidamente laimpresora.

Con el objetivo de facilitar los futuros desarrollos se ha creado un repositorio Gitpara el proyecto disponible en: https://github.com/MrRomero/ROME01

79

CAPITULO 12

Plan de Gestion de Riesgos

En este capıtulo se analizan los posibles riesgos que pueden afectar a la viabilidaddel proyecto. De acuerdo con el correcto cumplimiento de los objetivos del proyecto esnecesario prever los posibles obstaculos e incidencias que puedan suceder. Para ello seexponen los principales riesgos a tener en cuenta y el protocolo de actuacion en caso deque aparezcan.

1 Identificacion de riesgos

Para cada parte del proyecto se identifican los siguientes riesgos. Se han separado enaspectos mecanicos y electronicos ya que su impacto en el proyecto difiere.

1.1 Mecanica

Guias lineales. Es posible que el proveedor no suministre a tiempo los equipos deposicionamiento lineal o que debido a unos sobre costes no esperados no puedan seradquiridos para el proyecto. Tambien cabe la posibilidad de que no cumplan con lasespecificaciones requeridas para el proyecto y que el proveedor ha proporcionado. Debidoa que se trata de unos equipos muy precisos y delicados pueden verse danados durante eltrayecto del envıo o durante su manipulacion.

Estructura. Se ha seleccionado una perfilerıa y un diseno que de acuerdo a las simu-laciones es capaz de soportar los esfuerzos a los que va a someterse. No obstante puedeque los ensayos reales no cumplan con los requisitos del proyecto.

Extrusor. El extrusor puede no extruir a la velocidad requerida o presentar problemasde obstrucciones.

Atmosfera termica. La atmosfera controlada depende principalmente de la carcasa.Esta puede no cumplir con los requisitos aislantes que requiere el proyecto.

Bandeja de deposicion. La bandeja sobre la cual se deposita el material requiereuna horizontalidad asegurada con un margen de tolerancia de 10 micras. En el caso deno cumplirse la calidad de los prototipos fabricados, se verıa afectada y la impresora nopodrıa asegurar el espesor de capa propuesto en las caracterısticas tecnicas.

80


1.2 Electronica

Etapa de potencia. La etapa de potencia puede no ser capaz de suministrar la corrien-te requerida por el sistema. Tambien puede presentar problemas de sobrecalentamiento.

Etapa de control. La electronica de control puede presentar problemas de compatibi-lidad a la hora de integrarse y controlar el hardware del equipo. Los drivers pueden sufrirexposiciones a corrientes demasiado elevadas y fuera de los margenes de seguridad. Elfirmware desarrollado puede no acabarse a tiempo o no ofrecer la calidad necesaria.

2 Matriz de Probabilidad/Impacto

IMPACTOALTO

IMPACTOMEDIO

IMPACTO BAJO

PROBABILIDADALTA

Incidencias rela-cionadas con laetapa de control

PROBABILIDADMEDIA

Problemas con labandeja

Incidencias rela-cionadas con elextrusor

Incidencias rela-cionadas con laestructura

PROBABILIDADBAJA

Incidencias con elsistema de posi-cionamiento lineal

Incidencias re-lacionadas conla atmosferacontrolada

Incidencias rela-cionadas con laetapa de potencia

3 Plan de contingencias

Una vez determinados los posibles factores que amenazan el correcto desarrollo delproyecto es necesario planificar como afrontar los problemas que se puedan derivar delmismo. Para ello se ha establecido una fase previa de preparacion que pretende identifi-carlos antes de que aparezcan y expone como evitarlos. A continuacion se presenta unasegunda fase, que es el protocolo a seguir en caso de que estas incidencias ocurran. Elplan de contingencias queda de la siguiente forma:

3.1 Plan de respaldo

Estudio y eleccion de los proveedores adecuados. Tanto para los suministroselectronicos como mecanicos se ha establecido como norma evitar la importacion directade materiales. Siempre ha de ser a traves de un distribuidor nacional y a ser posiblecon oficinas en Madrid. De esta forma son mas accesible y en el caso de presentarseuna incidencia se puede obtener una respuesta inmediata. Los fabricantes han de ser anivel internacional y deben de suministrar la documentacion necesaria para garantizar lasprestaciones tecnicas de los componentes. Por ultimo se va a realizar un estudio sobre lasopiniones de los clientes de estos fabricantes en aplicaciones similares a las del proyecto.

Simulaciones. Todos los disenos han de ser simulados con el objetivo de garantizar sucorrecta eleccion y disposicion. A todos ellos se les aplica un margen de seguridad de 2.Para las simulaciones mecanicas se va a emplear SolidWorks Simulation 2013, y para lassimulaciones electronicas Matlab y Simulink.

Documentacion respecto a anteriores casos de exito. Debido a que no se trata dela primera impresora 3D del mercado no se pueden descartar las incidencias a las que sehan enfrentado otros modelos ni las soluciones a las que sus desarrolladores han recurrido.Para ello se tiene acceso a las listas de distribucion y wikis del proyecto RepRap, ası comoa los aportes en los repositorios Git de los principales firmwares usados y a los paperspublicados sobre el tema en los ultimos 20 anos.

81


3.2 Protocolo de actuacion en caso de incidencia

En el caso de presentarse una de las anteriores incidencias se va a recurrir al siguienteplan de emergencias:

No. INCIDENCIA FASE DEAPARICION

PROTOCOLO

1.1 Guıas de posicio-namiento lineal

Fase de adquisicionde material

Sustitucion de las guıas dehusillos por guıas de correas,mas fiables aunque con menorcalidad.

1.2 Estructura Fase de montaje Rediseno de la estructura conuna perfilerıa de mayor sec-cion.

1.3 Extrusor Fase de ensayo Adquisicion de un extrusorcomercial

1.4 Atmosfera termi-ca

Fase de integracion Eliminacion de la atmosferacontrolable y sustitucion poruna camara abierta al aire.

1.5 Bandeja Fase de ensayo Uso de rodamientos linealessegun se indica en el esquemade la figura 12.1

2.1 Electronica de po-tencia

Fase de calibracion Eleccion de una nueva fuentede alimentacion.

2.2 Electronica decontrol

Fase de calibracion Adquisicion de los componen-tes necesarios y diseno de unsistema de refrigeracion.

2.3 Firmware Fase de diseno Eleccion como alternativa deun firmware ya desarrollado yde codigo libre – Marlin.

Figura 12.1: Situacion de los rodamientos lineales

82

CAPITULO 13

Presupuesto

En este capıtulo se expone el presupuesto del proyecto. Se ha desglosado en tres partes:

1. Materiales. Donde se listan todos los materiales.

2. Mano de obra directa. Que se ha desglosado de la siguiente forma:

Mano de obra de diseno. Donde se engloba todo el proceso de diseno tantoconceptual como la elaboracion de modelos CAD y planos.

Mano de obra de ingenierıa general. Que engloba toda la programacion,redaccion de documentos, calculos e investigacion.

Mano de obra de manufactura. Que incluye la fabricacion de las piezasdel prototipo su integracion, la puesta en servicio y las pruebas.

3. Presupuesto general. Que suma los dos anteriores.

83


1 Materiales

REF. DESCRIPCION PRECIO (Und.)e CANTIDAD TOTAL eC-T01 RAMPS+ Freduino 116,9 1 116,9

C-G03Sistema de 3 Guıaslineales

1384,64 1 1384,64

B-102 Perfil T 20mm (1m) 5,1 1 5,1

P-XXXPerfil Tipo B20x20mm (2m)

5,38 8 43,04

C-E01Barra Roscada M4x 100mm

0,5 2 1

C-E02 Motor Nema 17 15 2 30

C-E03 Budas Nozzle 60 2 120

C-E04Rodamiento15x6x5

6 2 12

C-E05 Polea MK7 12 2 24

C-E06 Muelle 6mm 0,2 4 0,8

C-A01Tuerca M4 (caja de100)

18 3 54

C-A02Tornillo M2.5x16(caja de 10)

1,35 1 1,35

C-A03Tornillo M4x20 (ca-ja de 20)

3,5 1 3,5


2,75 1 2,75


3 1 3

C-A06 Tornillo M4x25 0,2 6 1,2

C-A07Tornillo M4x6 (cajade 10)

1,2 3 3,6

C-A08Tornillo M4x8 (cajade 100)

12 1 12

C-A09Angulo 20x20 (bol-sa de 10)

2,7 2 5,4

C-S01 Esquina 3,78 10 37,8

C-S02Angulo 40x40 (bol-sa de 10)

6,3 2 12,6

C-S03 Placa Conectora L 2,29 4 9,16

C-S04 Placa Conectora T 2,29 4 9,16

C-B01Plancha Aluminio327x327x3

1 0

C-B04 Tornillo M3x30 0,25 3 0,75

C-B05Tuerca M3 (bolsade 5)

1,2 1 1,2

C-B06 Muelle 20mm 0,25 3 0,75

C-B07Plancha ABS310x310x5mm

12 1 12

C-A10Barra Aluminio60x12x50

46,36 2 92,72

SUMA 2000,42IVA 420,09

TOTAL 2420,51e

84


2 Mano de obra directa

CONCEPTO PRECIO (Und.)e CANTIDAD TOTAL eHora de ingenierıa de diseno 50 360 18000Hora de ingenierıa general 40 120 4800Hora de manufactura 40 210 8400

SUMA 31200IVA 6552TOTAL 37752e

85


3 Presupuesto general

CONCEPTO SUMA eMateriales 2000,42Mano de obra 31200IVA 6972,9TOTAL 40172,51e

86

CAPITULO 14

Listado de referencias y planos

A continuacion se resume en una tabla las referencias empleadas y el numero de planoasignado a las piezas no estandarizadas:

REFERENCIA DESCRIPCION PLANO (si procede)C-000 BIPER Conjunto General 01-C-000-005E-001 Conjunto Extrusor 01-E-001-003E-101 Soporte Hot-End 01-E-101-003E-102 Soporte Motores 01-E-102-003E-103 Soporte Rodamiento 01-E-103-003E-104 Nervio Opresor 01-E-104-003E-105 Soporte Extrusor 01-E-105-003S-001 Estructura Interna 01-S-001-005S-101 Cortes Barras 01-S-101-005S-102 Acoples 01-T-001-005G-001 GUIA 01-G-001-001G-101 Acoples Eje Z 01-G-101-002G-102 Doble T 01-G-102-001B-001 Conjunto Bandeja 01-B-001-006B-102 Perfil T 20mm 01-B-102-001C-B03 Placa Conectora L Con Agujero 01-B-101-001C-E01 Barra Roscada M4 x 100mmC-E02 Motor Nema 17C-E03 Budas NozzleC-E04 Rodamiento 15x6x5C-E05 Polea MK/C-E06 Muelle 6mmC-A01 Tuerca M4C-A02 Tornillo M2.5x16C-A03 Tornillo M4x20C-A04 Tornillo M3x12

87


REFERENCIA DESCRIPCION PLANO (si procede)C-A05 Tornillo M4x12C-A06 Tornillo M4x25C-A07 Tornillo M4x6C-A08 Tornillo M4x8

C-A09 Angulo 20x20C-S01 Esquina

C-S02 Angulo 40x40C-S03 Placa Conectora LC-S04 Placa Conectora TC-B01 Plancha Aluminio 327x327x3

C-B02 Angulo 20x20C-B04 Tornillo M3x30C-B05 Tuerca M3C-B06 Muelle 20mmC-B07 Plancha ABS 310x310x5mmC-G01 Acople 2 ejesC-A10 Barra Aluminio 60x12x50P-XXX Perfil Tipo B 20x20mm (2m)

88

Bibliografıa

1 Referencias

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[2] European Comission, Horizon 2020 objectives for Industrial Innovation

[3] NEMA - National Electrical Manufacturers Association, www.nema.org

[4] Moilanen, J. & Vaden, T., Manufacturing in motion: first survey on the 3Dprinting community

[5] RepRap Comunity, http : //reprap.org/wiki/RepRapOptions

[6] RepRap Comunity, Genesis

[7] Impresoras3d.com, Analisis, informacion y comparativas de las impresoras 3dexistentes en el mercado

[8] Jeremy Rifkin, The Third Industrial Revolution: How lateral Power is Transfor-ming Energy, the Economy, and World.

[9] John Manners-Bell, Ken Lyon, The implications of 3d printing for the globallogistics industry

[10] Chuck Hull, Apparatus for Production of Three-Dimensional Objects by Stereolit-hography. U.S. Patent 4.575.330.

[11] Crump, S.S., Apparatus and methods for creating three-dimensional objects USPatent No 5,121,329

[12] Marlon Wesley Machado Cunico and Jonas de Carvalho, Optimization ofpositioning system of FDM machine design using analytical approach Department ofMechanical Engineering, University of Sao Paulo, Sao Carlos, Brazil

[13] 3D Printer Comparison Chart, http : //www.additive3d.com/3dprcht.htm

[14] PBClinar, Application Story Trinity Labs 3D Printing

[15] Chalmers, J., 3D printing: not yet a new industrial revolution, but its impact willbe huge The Guardian,

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89


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[18] Carlos Relvas, Antonio Ramos, Antonio Completo and Jose A Simoes, Asystematic approach for an accuracy level using rapid prototyping technologies Pro-ceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of EngineeringManufacture 2012 226: 2023

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[21] Prasad K. D. V. Yarlagadda, S. Narayanan, GCMM 2004: 1st InternationalConference on Manufacturing and Management Alpha Science Int’l. February 2005

[22] GHER, GHER Lieferprogramm als FlipBook

[23] Proyecto Clone Wars, Clone Wars: Software/es

[24] Ultimaker, https://www.ultimaker.com

[25] GNU Licences, http://www.gnu.org/licenses

[26] PIGHIXXX Unofficial Arduino Pinout Diagram, http://www.pighixxx.com

[27] A4988 DMOS Microstepping Driver with Translator and OvercurrentProtection, Allegro MicroSystems Inc.

[28] RepRap Proyect official documentation, http://www.reprap.org

2 Figuras

[29] c©CustomPart.NET

[30] c©www.stratasys.com/

[31] c©kmsoluciones.com

[32] c©Makerbot.com

[33] CC-ASA http://commons.wikimedia.org

[34] http://www.sculpteo.com/en/

90

CAPITULO 15

Anexo: Planos

91

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA IMPRESORA 3D FDM

HOJA PLANO DECRIPCION ULTIMA REVISION FECHA

0 01-I-000-001 ÍNDICE DE PLANOS 1 11/07/141 0-C-000-006 CONJUNTO GENERAL 6 23/06/142 01-E-001-003 CONJUNTO EXTRUSOR 3 10/06/173 01-E-101-003 SOPORTE HOT-END 3 10/06/174 01-E-102-003 SOPORTE MOTORES 3 10/06/145 01-E-103-003 SOPORTE RODAMIENTO 3 10/06/146 01-E-104-003 NERVIO OPRESOR 3 10/06/147 01-E-105-003 SOPORTE EXTRUSOR 3 10/06/148 01-S-001-005 ESTRUCTURA INTERNA 5 02/03/149 01-S-101-005 CORTES BARRAS 5 11/07/14

10 01-T-001-001 DISPOSICIÓN DE EQUIPOS ELECTRONICOS 5 01/07/14

11 01-G-101-002 ACOPLES EJE Z 2 02/03/1412 01-G-102-001 DOBLE T 1 20/02/1413 01-B-001-006 COJUNTO BANDEJA 6 10/07/1414 01-B-002-006 BANDEJA. VISTA

EXPLOSIONADA 6 10/07/14

15 01-B-101-001 PLACA CONECTORA L CON AGUJERO 1 10/07/14

16 01-B-102-001 PERFIL T 20 mm 1 03/05/14

17 01-N-000-001 NOTAS 1 11/07/14

1

01-I-000-01JPG

SFV

MRSA4

HOJA 0 DE 17ESCALA:N/A

N.º DE DIBUJO

TÍTULO:

REVISIÓN

FECHAFIRMANOMBRE

SI NO SE INDICA LO CONTRARIO:LAS COTAS SE EXPRESAN EN MM

APROB.

VERIF.

DIBUJ.

ÍNDICE DE PLANOS

PROYECTO

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA IMPRESORA 3D FDMEdición de estudiante de SolidWorks.

Sólo para uso académico.

A

B

1

8

7

1

2

6

9

DETALLE A ESCALA 1 : 5

4

10

DETALLE B ESCALA 1 : 5

3

N.º DE ELEMENTO N.º DE PIEZA DESCRIPCIÓN CANTIDAD

1 01-S-001-005 ESTRUCTURA INTERNA 1

2 01-G-001-005 GUIA 33 01-G-101-005 (REF: G-111) ACOPLE GUIA G-111 1

4 01-G-101-005 (REF: G-121) ACOPLE GUIA G-121 1

5 C-G01 ACOPLE 2 EJES 1

6 01-G-102-005 DOBLE T 1

7 01-E-001-003 CONJUNTO EXTRUSOR 1

8 01-B-001-006 CONJUNTO BANDEJA 19 C-A06 TORNILLO M4 x 25 810 C-A03 TORNILLO M4 x 20 4

JPG

SFV

MRSA3

ESCALA:1:10

N.º DE DIBUJO

TÍTULO:

REVISIÓN

FECHAFIRMANOMBRE


APROB.

VERIF.

DIBUJ.

PROYECTO

5

01-C-000-05JPG

SFV

MRSA3

HOJA 1 DE 17ESCALA:1:10

N.º DE DIBUJO

TÍTULO:

REVISIÓN

FECHAFIRMANOMBRE


APROB.

VERIF.

DIBUJ.

CONJUNTO GENERAL

PROYECTO


Edición de estudiante de SolidWorks. Sólo para uso académico.

132

57

1

6

910

11

16

4 123

2

7

15

5

109

94

13

14

8

MARCA No. PLANO REFERENCIA DESCRIPCIÓN CANTIDAD

MARCA N.º DE PIEZA DESCRIPCIÓN CANTIDAD1 01-E-102-03 SOPORTE MOTORES 1

2 01-E-101-03 SOPORTE HOT-END 1

3 01-E-105-03 SOPORTE EXTRUSOR 1

4 01-E-103-03 SOPORTE RODAMIENTO 2

5 01-E-104-03 NERVIO OPRESOR 16 C-E01 BARRA ROSCADA M4 27 C-E02 MOTOR NEMA 17 2

8 C-E03 BUDAS 2

9 C-E04 RODAMIENTO 15x6x5 2

10 C-E05 POLEA MK7 2

11 C-A01 TUERCA M4 1012 C-A02 TORNILLO M2.5x16 413 C-A03 TORNILLO M4x20 214 C-A04 TORNILLO M3x12 115 C-A05 TORNILLO M4x12 216 MUELLE 6 4

3

01-E-001-03JPG

SFV

MRSA3


N.º DE DIBUJO

TÍTULO:

REVISIÓN

FECHAFIRMANOMBRE


APROB.

VERIF.

DIBUJ.

CONJUNTOEXTRUSOR

PROYECTO



109

86

A

A

A1B1

A2

B2

A3 A4

A5

B3

B4A6

X

Y

0

0

12

SECCIÓN A-A

RÓTULO UBIC X UBIC Y TAMAÑO

A1 12 39 M3

A2 26 15 M3

A3 40 39 M3

A4 69 39 M3

A5 83 15 M3

A6 97 39 M3B1 17 41 4B2 26 31 4B3 83 31 4B4 93 41 4

3

01-E-101-03JPG

SFV

MRSA3

ESCALA:1:1

N.º DE DIBUJO

TÍTULO:

REVISIÓN

FECHAFIRMANOMBRE


APROB.

VERIF.

DIBUJ.

SOPORTEHOT-END

PROYECTO

3

01-E-101-03JPG

SFV

MRSA3


N.º DE DIBUJO

TÍTULO:

REVISIÓN

FECHAFIRMANOMBRE


APROB.

VERIF.

DIBUJ.

PROYECTO



4 x 2,50

10

6 31

45

R3

35

6 31

10

5

C

C

5

86

5

M4 M4

20 23

63 44

20

12

10

SECCIÓN C-C

3

01-E-102-03JPG

SFV

MRSA3

ESCALA:1:1

N.º DE DIBUJO

TÍTULO:

REVISIÓN

FECHAFIRMANOMBRE


APROB.

VERIF.

DIBUJ.

SOPORTEMOTORES

PROYECTO

3

01-E-102-03JPG

SFV

MRSA3


N.º DE DIBUJO

TÍTULO:

REVISIÓN

FECHAFIRMANOMBRE


APROB.

VERIF.

DIBUJ.

PROYECTO



6

20

7

10

5

4

6

3

01-E-103-03JPG

SFV

MRSA3


N.º DE DIBUJO

TÍTULO:

REVISIÓN

FECHAFIRMANOMBRE


APROB.

VERIF.

DIBUJ.

SOPORTERODAMIENTO

PROYECTO

BIPEREdición de estudiante de SolidWorks. Sólo para uso académico.

10

30

18

6

10

4

4

10

A

A

12

M3

6

6

SECCIÓN A-A

3

01-E-104-03JPG

SFV

MRSA3

ESCALA:2:1

N.º DE DIBUJO

TÍTULO:

REVISIÓN

FECHAFIRMANOMBRE


APROB.

VERIF.

DIBUJ.

NERVIOOPRESOR

PROYECTO

3

01-E-104-03JPG

SFV

MRSA3


N.º DE DIBUJO

TÍTULO:

REVISIÓN

FECHAFIRMANOMBRE


APROB.

VERIF.

DIBUJ.

PROYECTO



86

58

A

A

A1

B1 B2

A2

X

Y

00

8

4

4

8

12

SECCIÓN A-ARÓTULO UBIC X UBIC Y

A1 18 29

A2 68 29

B1 20 6

B2 66 6

3

01-E-105-03JPG

SFV

MRSA3

ESCALA:1:1

N.º DE DIBUJO

TÍTULO:

REVISIÓN

FECHAFIRMANOMBRE


APROB.

VERIF.

DIBUJ.

PROYECTO

3

01-E-105-03JPG

SFV

MRSA3


N.º DE DIBUJO

TÍTULO:

REVISIÓN

FECHAFIRMANOMBRE


APROB.

VERIF.

DIBUJ.

PROYECTO


SOPORTEEXTRUSOR


550

AA

3

2

A

B

120

DETALLE A ESCALA 1 : 2

9

4

150

E

F

SECCIÓN A-A

1

DETALLE E ESCALA 1 : 5

7

DETALLE F ESCALA 1 : 2

8

5

VISTA B

6


1 P-550 PERFIL TIPO B 550 142 P-800 PERFIL TIPO B 800 43 D-530 PERFIL TIPO B 20x40 530 14 C-S01 ESQUINA 8

5 C-S02 ANGULO 40 x 40 10

6 C-S03 PLACA CONECTORA L 2

7 C-S04 PLACA CONECTORA T 48 C-A06 TORNILLO M4 x8 609 C-A07 TORNILLO M4 x 8 24

01-S-001-005JPG

SFV

MRSA3

ESCALA:1:10

N.º DE DIBUJO

TÍTULO:

REVISIÓN

FECHAFIRMANOMBRE


APROB.

VERIF.

DIBUJ.

PROYECTO

5

01-S-001-005JPG

SFV

MRSA3


N.º DE DIBUJO

TÍTULO:

REVISIÓN

FECHAFIRMANOMBRE


APROB.

VERIF.

DIBUJ.

ESTRUCTURAITERNA

PROYECTO



6 6 40

6

20

L

6

6 20

20

L

PERFIL TIPO B 20 x 20 PERFIL TIPO B 40 x 20

PERFIL TIPO B 20 x20REFERENCIA L CANTIDAD

P-550 550 14P-800 800 4P-400 400 1P-080 80 2P-310 310 3P-350 350 2p-040 40 2

PERIL TIPO B 40 x20REFERENCIA L CANTIDAD

D-530 530 1

3

01-S-101-005JPG

SFV

MRSA3

ESCALA:1:1

N.º DE DIBUJO

TÍTULO:

REVISIÓN

FECHAFIRMANOMBRE


APROB.

VERIF.

DIBUJ.

PROYECTO

3

01-S-101-005JPG

SFV

MRSA3


N.º DE DIBUJO

TÍTULO:

REVISIÓN

FECHAFIRMANOMBRE


APROB.

VERIF.

DIBUJ.

CORTESDE BARRAS

PROYECTO



RAMPS

MOTOR EXTRUSOR 0 MOTOR EXTRUSOR 1

MOTOR X MOTOR Y MOTOR Z

FUENTE DE ALIMENTACIÓN

THERMISTOR 0 FUENTE DE ALIMENTACIÓN

HOT END 0

THERMISTOR 1

HOT END 1

RAMPS

JPG

SFV

MRSA3N.º DE DIBUJO

TÍTULO:

REVISIÓN

FECHAFIRMANOMBRE


APROB.

VERIF.

DIBUJ.

PROYECTO

5

01-T-001-001JPG

SFV

MRSA3

HOJA 10 DE 17

N.º DE DIBUJO

TÍTULO:

REVISIÓN

FECHAFIRMANOMBRE


APROB.

VERIF.

DIBUJ.

DISPOSICIÓN DEEQ. ELECTRÓNICOS

PROYECTO


ESCALA: N/A


R3 R3

18 18

13

45

B

BA1

B1

B2 B3 A2

B4

X

Y

0

0

24

AA

A1 B1 B2 A2

X

Y

0

0

10

78

SECCIÓN A-A

78

10

SECCIÓN B-B

REFERENCIA: G-111 REFERENCIA: G-121

RÓTULO UBIC X UBIC Y TAMAÑOA1 9 13 6,60 POR TODOA2 69 13 6,60 POR TODOB1 9 35 6 POR TODOB2 29 13 6 POR TODOB3 49 13 6 POR TODOB4 69 35 6 POR TODO

RÓTULO UBIC X UBIC Y TAMAÑOA1 9 12 6,60 POR TODOA2 69 12 6,60 POR TODOB1 29 12 6 POR TODOB2 49 12 6 POR TODO

01-G-101-005JPG

SFV

MRSA3

ESCALA:1:1

N.º DE DIBUJO

TÍTULO:

REVISIÓN

FECHAFIRMANOMBRE


APROB.

VERIF.

DIBUJ.

ACOPLESEJE Z

PROYECTO

2

01-G-101-005JPG

SFV

MRSA3


N.º DE DIBUJO

TÍTULO:

REVISIÓN

FECHAFIRMANOMBRE


APROB.

VERIF.

DIBUJ.

PROYECTO



4

400

80

20 20

1

2

3

20


1 P-400 PERFIL TIPO B 400 1


3 C-A09 ANGULO 20 X 20 44 C-A07 TORNILLO M4 x 6 8

3

01-G-102-005JPG

SFV

MRSA3

ESCALA:1:2

N.º DE DIBUJO

TÍTULO:

REVISIÓN

FECHAFIRMANOMBRE


APROB.

VERIF.

DIBUJ.

PROYECTO

3

01-G-102-005JPG

SFV

MRSA3


N.º DE DIBUJO

TÍTULO:

REVISIÓN

FECHAFIRMANOMBRE


APROB.

VERIF.

DIBUJ.

DOBLE TPROYECTO



6 9

5

3

10

2

11

A

A

1

4

4 78 12

B

C

SECCIÓN A-A

DETALLE B ESCALA 2 : 5

14

10

DETALLE C ESCALA 2 : 5

13 15


1 01-B-102-001 PERFIL T 20mm 4

2 C-B01 PLANCHA ALUMINIO 327 x 327 x 3 (VER NOTA 7) 1


4 C-B07 PLANCHA ABS 310 x310 x 5 (VER NOTA 8) 1

5 P-350 PERFIL TIPO B 350 16 P-040 PERFIL TIPO B 40 27 C-S01 ESQUINA 28 C-S03 PLACA CONECTORA L 49 C-B02 ANGULO 20 x 20 1

10 C-S04 PLACA CONECTORA T 1

11 C-B03 PLACA CONECTORA L CON AGUJERO 2

12 C-A08 TORNILLO M4 x 8 3713 C-B04 TORNILLO M3 x 30 314 c-B05 TUERCA M3 115 C-B06 MUELLE 20mm 3

6

01-B-001-006JPG

SFV

MRSA3


N.º DE DIBUJO

TÍTULO:

REVISIÓN

FECHAFIRMANOMBRE


APROB.

VERIF.

DIBUJ.

CONJUNTOBANDEJA

PROYECTO



6

01-B-002-006JPG

SFV

MRSA3


N.º DE DIBUJO

TÍTULO:

REVISIÓN

FECHAFIRMANOMBRE


APROB.

VERIF.

DIBUJ.

BANDEJA.VISTAEXPLOSIONADA

PROYECTO



9

5

M3

9

21

58

58

18

25

25

45°

21 9

4

1

01-B-101-001JPG

SFV

MRSA3


N.º DE DIBUJO

TÍTULO:

REVISIÓN

FECHAFIRMANOMBRE


APROB.

VERIF.

DIBUJ.

PLACA CONECTORAL CON AGUJERO

PROYECTO



20

20

3

3

350

45°

1

01-B-102-001JPG

SFV

MRSA3


N.º DE DIBUJO

TÍTULO:

REVISIÓN

FECHAFIRMANOMBRE


APROB.

VERIF.

DIBUJ.

PERFIL T 20 mmPROYECTO



1

01-N-000-01JPG

SFV

MRSA4

HOJA 17 DE 17ESCALA:N/A

N.º DE DIBUJO

TÍTULO:

REVISIÓN

FECHAFIRMANOMBRE


APROB.

VERIF.

DIBUJ.

NOTASPROYECTO


NOTAS1. LA CODIFICACIÓN SEGUIDA EN LOS PLANOS SE CORRESPONDE A LOS SIGUIENTES ESQUEMAS:

PIEZAS PROPIAS DEL PROYECTO: AA-B-CCC-DDD AA: NÚMERO DE PROYECTO B: CONJUNTO (E=EXTRUSOR, S=ESTRUCTURA, G=GUÍAS, B=BANDEJA)CCC: NUMERO DE PLANO. SI LA PRIMERA CIFRA ES UN 0 CORRESPONDE A UN CONJUNTO. SI ES UNA CIFRA DISTINTA DE 0 SE TRATA DE UNA PIEZA CORRESPONDIENTE A TAL CONJUNTO. DDD: REVISIÓN.

FUERA DE LA DOCUMENTACIÓN DE LOS PLANOS SE HARÁ REFERENCIA A LAS PIEZAS BAJO LA REFERENCIA B-CCC

COMPONENTES: A-BCC A: LETRA QUE DIFERENCIA ENTRE COMPONENTE GENÉRICO (C) Y CORTE DE VIGA(P PARA20x20 Y

D PARA 40x20) B: LETRA QUE INDICAEL CONJUNTO (E=EXTRUSOR, S=ESTRUCTURA, G=GUÍAS, B=BANDEJA A=TODOS)CC: NUMERO DE COMPONENTE.

EN EL CASO DE LOS CORTES LA CIFRA BCC DE LA REFERENCIA SE SUSTITUYE POR DDD QUE CORRESPONDE A LA LONGITUD EN mm DEL CORTE.

2. MATERIALES:LAS PIEZAS PROPIAS DEL PROYECTO ESTARÁN FABRICADAS EN ALUMINIO ALEACIÓN 1060 Y SERÁN REBABADAS TODAS LAS ARISTAS VIVAS.

3. LOS TORNILLOS QUE NO ENCAJEN EN UN AGUJERO ROSCADO DEBERÁN ACABAR EN SU CORRESPONDIENTE TUERCA.

4. TOLERANCIA: +/- 0.5mm SALVO EN AGUJEROS, QUE ES +/- 0.25mm.

5. CONEXIONES Y CABLEADOS: CONSULTAR MEMORIA DEL PROYECTO.

6. REVISIONES: NO TODAS LAS REVISIONES POSEEN PLANO, PERO SÍ MODELO 3D.

7. LA PLANCHA DE ALUMINIO (C-B01) SE SUJETARÁ A LOS PERFILESB-102 MEDIANTE 3 REMACHES POR CADA PERFIL A UNA EQUIDISTANCIA Y AL RESTO DE LA BANDEJA POR TRES AGUJEROS EN DONDE IRÁN TRES TORNILLOS C-B03, TODO ELLO SEGÚN LA DISPOSICIÓN DEL PLANO 01-B-002-006.

8. LA PLANCHA DE ABS IRÁ ATORNILLADA CON TRES AGUJEROS DE ACUERDO A LA DISPOSICIÓN DEL PLANO 01-B-002-006.


impresora 3d

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