“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA IMPRESORA 3D AUTO-REPLICABLE

CONTROLADA INALÁMBRICAMENTE PARA EL PROTOTIPADO DE PIEZAS PLÁSTICAS DE

BAJO COSTO, MEDIANTE SOFTWARE LIBRE”

SUSANA DEL PILAR CHANCUSI TOAPANTAPAÚL HERNÁN NAVARRETE PARRA

Latacunga, 2014

PROTOTIPADO RÁPIDOPROTOTIPADO RÁPIDO

Técnicas de Prototipado Rápido Técnicas de Prototipado Rápido

TÉCNICA DE MODELADO

Deposición de Hilo Fundido (FDM)Deposición de Hilo Fundido (FDM)

FUNCIONAMIENTO FDM

MATERIAL DE IMPRESIÓN

APLICACIONES DE LA IMPRESIÓN 3DAPLICACIONES DE LA IMPRESIÓN 3D

Acrilonitrilo Butadieno Estireno

Estándar inalámbrico IEEE 802.15.4

COMUNICACIÓN INALÁMBRICACOMUNICACIÓN INALÁMBRICA

PARÁMETROS DE DISEÑO PARÁMETROS DE DISEÑO

Tamaño estimado de la máquina: (500x500x700) mm3

Medidas máximas del modelo impreso: (200x200x200) mm3

Estructura mecánica: Estructura rígida y liviana

Material de extrusión: Filamentos plásticos estandarizados de ABS

Tipo de Software: Plataforma Libre.

Temperatura de trabajo: 240ºC (Fundidor) - 110ºC (Base de Deposición)

Características especiales: Control inalámbrico

SUBSISTEMASSUBSISTEMAS Subsistema A: Estructura y Sistema de Movimiento

Subsistema B: Mecanismos de Transmisión

Subsistema C: Extrusor

Subsistema D: Base de Deposición

Subsistema E: Electrónica

Subsistema F: Sistema de Control

Escala de calificación, ponderación y su interpretación

Subsistema A: Estructura y Sistema de MovimientoSubsistema A: Estructura y Sistema de Movimiento

MOVIMIENTO - HP DESIGNJET 3D

IMPRESORA HP DESIGNJET 3D

Subsistema B: Mecanismos de TransmisiónSubsistema B: Mecanismos de Transmisión

POLEAS - CORREA DE SINCRONIZACIÓN TORNILLO – TUERCA

SISTEMA DE GUIADO ACTUADORES

Subsistema C: ExtrusorSubsistema C: Extrusor

FUNDIDOR

SISTEMA DE RUEDAS MOTRICES

Fundidor Budaschnozzle 1.2

Subsistema D: Base de DeposiciónSubsistema D: Base de Deposición

PLACAS PCB

PCB MK2

Subsistema E: ElectrónicaSubsistema E: Electrónica

RAMPS Y ARDUINO MEGA

CONTROLADOR DEL MOTOR PAP

DRIVER A4988

Subsistema F: Sistema de ControlSubsistema F: Sistema de Control

Elemento Sistema de controlMotor a Pasos Control en Lazo Abierto Sensores de Posición Control On-OffCalefactores Control On-Off con histéresis

SISTEMAS DE CONTROL PARA LA MÁQUINA

MECANISMO EXTRUSORMECANISMO EXTRUSOR

Dinámica del fundidor:

MECANISMOS X-YMECANISMOS X-Y

Diseño de Ejes

Material: Acero Inoxidable - AISI 304

Resistencia a la fluencia (Sy): 205 MPa

Factor de seguridad (N): 2

Módulo de elasticidad (E): 200GPa

MECANISMOS X-YMECANISMOS X-YAnálisis de deformación ejes X - Y

MECANISMOS X-YMECANISMOS X-Y

Material: Polímero - ABS

Resistencia a la flexión (Sy): 45 MPa

Factor de seguridad (N): 1.5

Análisis de Esfuerzos y deformación en el Soporte Extrusor

MECANISMOS X-YMECANISMOS X-Y

Material: Polímero - ABS

Resistencia a la flexión (Sy): 45 MPa

Factor de seguridad (N): 1.5

Análisis de Esfuerzos y deformación en el Soporte Lateral Y

MECANISMOS X-YMECANISMOS X-YDiseño del Sistema de Transmisión en X-Y

Polea-Correa GT2 =

𝑑𝑥=0,44 𝑚 𝑑𝑦=0,343 𝑚

MECANISMO ZMECANISMO Z

Material: Acero AISI - SAE 1018

Módulo de elasticidad (E): 205 Gpa

Constante K (art.-art.) : 1

Longitud del tornillo: 445 mmd = 12,7 mm (1/2 in )

=108,07 N

MECANISMO ZMECANISMO ZDiseño del Tornillo de Potencia

SISTEMA DE CONTROL DE LA IMPRESORA 3DSISTEMA DE CONTROL DE LA IMPRESORA 3D

Arduino Mega Shield

DIAGRAMA ELECTRÓNICODIAGRAMA ELECTRÓNICO

SOFTWARE DE COMUNICACIÓN Y CONTROL - CURASOFTWARE DE COMUNICACIÓN Y CONTROL - CURA

• Es un software que nos va a permitir convertir los archivos STL que contienen nuestro diseño 3D en piezas

físicas en un solo entorno de trabajo.

• Posee opciones de configuración más simples y una interfaz gráfica algo mas intuitiva a la par que sencilla.

• Capacidad de generar laminados mucho más rápido o poder generar varios laminados a la vez en paralelo.

• Cura tiene como objetivo no sólo actuar como programa de laminado sino también como anfitrión (host) de

la impresión.

IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA MECÁNICO MECÁNICO

IMPLEMENTACIÓN DE ELEMENTOS IMPLEMENTACIÓN DE ELEMENTOS DEL MECANISMO EXTRUSORDEL MECANISMO EXTRUSOR

IMPLEMENTACIÓN DE ELEMENTOS IMPLEMENTACIÓN DE ELEMENTOS DEL MECANISMO “X”DEL MECANISMO “X”

IMPLEMENTACIÓN DE ELEMENTOS IMPLEMENTACIÓN DE ELEMENTOS DEL MECANISMO “Y”DEL MECANISMO “Y”

IMPLEMENTACIÓN DE ELEMENTOS IMPLEMENTACIÓN DE ELEMENTOS DEL MECANISMO “Z”DEL MECANISMO “Z”

IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROLCONTROL

PARÁMETROS DEL PARÁMETROS DEL SOFTWARE DE CONTROL “CURA”SOFTWARE DE CONTROL “CURA”Opciones Básicas Opciones Avanzadas

COMUNICACIÓN INALAMBRICACOMUNICACIÓN INALAMBRICA• Estándar inalámbrico IEEE 802.15.4• Frecuencia: 2.4 GHz• Velocidad: 115200 BD• Canal: 16

ANANÁÁLISIS DE ESPECTROS DE LALISIS DE ESPECTROS DE LACOMUNICACIÓN INALAMBRICA COMUNICACIÓN INALAMBRICA

Chanalyzer + Wi-Spy Dbx

Agilent Spectrum Analyzer + Antena Log Periódica

Onda de la señal ZigBee

PRUEBAS DE RESOLUCIÓN PRUEBAS DE RESOLUCIÓN EN LOS EJES EN LOS EJES (X-Y)(X-Y)

PRUEBAS DE PRECISIÓN Y RESOLUCIÓN PRUEBAS DE PRECISIÓN Y RESOLUCIÓN EN EL EJE (Z) EN EL EJE (Z)

PRUEBAS DE PRUEBAS DE TEMPERATURATEMPERATURAEN CALEFACTORESEN CALEFACTORES

TEMPERATURAMEDIANTE SOTFWARE

TEMPERATURA MEDIDA CON MULTIMETRO

PRUEBAS DE TRACCIPRUEBAS DE TRACCIÓN SEGÚN ÓN SEGÚN LA NORMA ASTM D638-10LA NORMA ASTM D638-10

PRUEBAS DE TRACCIPRUEBAS DE TRACCIÓN SEGÚN ÓN SEGÚN LA NORMA ASTM D638-10LA NORMA ASTM D638-10

Probetas Negras Probetas Azules

IMPRESIONES 3D DE LA MÁQUINAIMPRESIONES 3D DE LA MÁQUINA

ANÁLISIS TÉCNICO - ECONÓMICO ANÁLISIS TÉCNICO - ECONÓMICO MÁQUINAS SEMEJANTES AL PROYECTO ESTÁN A UN COSTO DE $ 24.900,00

COSTO BENEFICIO

$ 22.155,00

VALIDACIÓN DE LA HIPÓTESISVALIDACIÓN DE LA HIPÓTESIS

¿El diseño y construcción de una impresora 3D auto-replicable, permitirá

realizar la impresión de prototipos u objetos mediante la utilización de software

libre e implementación de tecnologías inalámbricas para su manejo y

monitoreo?

El diseño y construcción de una impresora 3D auto-replicable, permitió realizar

la impresión de prototipos u objetos mediante la utilización de software libre con

la implementación de tecnologías inalámbricas para su manejo y monitoreo.

Este proyecto será útil para prácticas en el Laboratorio CNC de la ESPE

extensión Latacunga, siendo este un proyecto de Investigación Científica.

CONCLUSIONESCONCLUSIONES• Se diseñó y construyó una Impresora 3D auto-replicable controlada inalámbricamente

para el prototipado de piezas plásticas de bajo costo, mediante software libre, con el fin de ahorrar tiempo y dinero.

• Se pudo controlar y monitorear el proceso de impresión, a través de un medio de transmisión guiado (cable USB) y también con comunicación inalámbrica.

• Se seleccionó y configuro el software de código abierto Cura para el manejo y control de la impresora 3D.

• Se obtuvo de forma óptima piezas plásticas elaboradas a base de un polímero económico (ABS).

• El análisis y la selección de las alternativas más adecuadas para el proyecto planteado fueron de gran utilidad, ya que permitieron realizar un diseño viable y técnicamente fundamentado.

• Para el diseño del sistema mecánico se manejó el software SolidWorks, con el fin de conocer las diferentes fallas de diseño y corregirlas de manera que satisfaga las necesidades y parámetros planteados.

• El control de la máquina se basa en dos tarjetas principales, el Arduino Mega 2560 como tarjeta de control y la Arduino Mega Shield como tarjeta de interface; debido a su bajo costo y prestaciones para satisfacer las necesidades del diseño de la impresora 3D.

• Por medio de programas de código abierto se pueden implementar sistemas más económicos que permitan trabajar libremente sin estar restringidos a licencias de programas costosos.

RECOMENDACIONESRECOMENDACIONES Para la construcción de este proyecto se recomienda el uso de máquinas de corte por

láser, para obtener mayor precisión en la construcción de su estructura con el fin de mejorar los niveles de tolerancias en construcción.

Para imprimir geometrías más complejas se recomienda aumentar un segundo extrusor para que coloque material de soporte.

Se recomienda cambiar el tornillo de potencia por un husillo de bolas para obtener mejor precisión y resolución de impresión, puesto que con el actual tornillo de potencia tiene un pequeño juego entre la tuerca y la rosca, lo que dificulta la calibración de la base de deposición.

Para un manejo óptimo de la máquina se recomienda revisar el manual de usuario y operaciones.

Para evitar cualquier daño hacia la máquina o hacia el operador seguir todas las Instrucciones Generales de Seguridad que se encuentran el Manual de Operación y Mantenimiento de la Impresora 3D.

Se recomienda seleccionar de manera adecuada los perfiles de impresión, acorde al modelo del tamaño a imprimir, para evitar cualquier anomalía en la calidad de impresión.