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Tipo: Ejercicios
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Autor: Marco Esteban Illescas
Director: Alberto Valero Gómez
Tutor: Juan González Gómez
Junio de 2.
Grado en Ingeniería Electrónica Industrial y Automática
Grado en Ingeniería Electrónica Industrial y Automática
Grado en Ingeniería Electrónica Industrial y Automática
Grado en Ingeniería Electrónica Industrial y Automática
Grado en Ingeniería Electrónica Industrial y Automática Trabajo Fin de Grado: Construcción de una impresora 3D Open Source Junio de 2.
Figura 124. Mosfet canal N, STP55NF06L ......................................................... 104
Figura 125. Motor paso a paso, Nema 17, de Reprap World ................................ 105
Figura 126. Esquema de conexionado para Ramps 1.2 ........................................ 106
Figura 127. Conectores para los motores ............................................................. 107
Figura 128. Conexión de los motores del eje Z a la clema desde la que se conectan a su driver ……………………………………………………………………….. 107
Figura 129. Esquema de conexionado para Sanguinololu 1.2............................... 109
Figura 130. Tornillos para sujeción de la electrónica en el listón de madera. ....... 110
Figura 131. Electrónica montada y conexiones realizadas ................................... 111
Figura 132. Acabado final de la impresora 3D Prusa Mendel .............................. 111
Figura 133. Terminales del final de carrera utilizados.......................................... 112
Figura 134. Conexión de los finales de carrera en la placa electrónica ................. 113
Figura 135. Referencia de conexión de los drivers en una Ramps 1.2 .................. 114
Figura 136. Marca que indica la posición del mosfet en la placa, en una Ramps 1. (arriba) y una Sanguinololu 1.3a (abajo) .................................................................... 115
Figura 137. Disipador del mosfet conectado a la clema de alimentación para la heated bed ……………………………………………………………………….. 116
Figura 138. Selección de microcontrolador que estamos utilizando en el software de Arduino ……………………………………………………………………….. 119
Figura 139. Selección del puerto al que está conectado el microcntrolador en el software de Arduino .................................................................................................. 119
Figura 140. Ventana que visualizamos al abrir el firmware en el software de Arduino ……………………………………………………………………….. 120
Figura 141. Código del firmware, ya configurado, compilado con el software de Arduino ……………………………………………………………………….. 121
Figura 142. Software de control Pronterface ........................................................ 123
Figura 143. Ventana de calibración de los parámetros de Skeinforge ................... 125
Figura 144. Primeras pruebas: Cubo (20 x 20 x 10 mm) ...................................... 127
Figura 145. Primeras pruebas: Cilíndro (h = 3 mm, r = 10 mm) ........................... 128
Figura 146. Primeras pruebas: Polea ................................................................... 128
Figura 147. Primeras pruebas: Polea tras calibrar la impresora ............................ 129
Figura 148. Primeras pruebas: Pieza de ejemplo de gran tamaño tras calibración. 129
Figura 149. Primeras pruebas: Esfera hueca que precisa una muy buena calibración ……………………………………………………………………….. 129
Figura 150. Primeras pruebas: Muñeco de piezas encajadas, conseguido al afinar la calibración ……………………………………………………………………….. 130
Figura 151. Mejora. Rodamientos lineales, modelo LM8UU, del eje Y ............... 152
Grado en Ingeniería Electrónica Industrial y Automática Trabajo Fin de Grado: Construcción de una impresora 3D Open Source Junio de 2.
Figura 152. Mejora. Piezas que dan estabilidad al eje Z ....................................... 153
Figura 153. Mejora. Ventilador para la electrónica .............................................. 153
Grado en Ingeniería Electrónica Industrial y Automática Trabajo Fin de Grado: Construcción de una impresora 3D Open Source Junio de 2.
1.1 Motivación y contexto
Este proyecto consiste en construir una Prusa Mendel, que es un modelo de impresora 3D, de los que forman el Proyecto Reprap, basado en la construcción de piezas a través de la extrusión de un hilo o filamento de plástico, y a partir de un diseño en tres dimensiones de la pieza a construir.
A lo largo del proyecto podremos encontrar las instrucciones visuales que nos permitirán ensamblar la impresora, así como su extrusor; que es el dispositivo encargado de extruir el plástico para crear las piezas. Se aporta también en este documento una importante cantidad de información acerca de la electrónica que necesita la máquina en cuestión, así como los programas de software que se requieren para su uso; llegando a mostrar las primeras muestras de lo que la máquina es capaz de hacer. Finalmente se incluirá un presupuesto que permitirá al lector conocer la variedad de proveedores a los que podrá comprar los elementos y dispositivos necesarios, y obtener una estimación de lo que cuesta construir una impresora 3D Prusa Mendel; incluyendo también una comparación de precios entre proveedores para los elementos más característicos de la máquina.
Lo que me condujo a hacer este proyecto fue la idea de poder construir mis propias piezas, tanto las que pueda aprender a diseñar en un futuro, como los modelos que pueda conseguir por internet. Soy estudiante de ingeniería, me encanta la robótica, y esta máquina me pareció la oportunidad perfecta, no solo para comenzar a introducirme en el mundo de la robótica, sino también para poder hacer, en un futuro próximo, los primeros prototipos de robots que pueda llegar a diseñar en posibles trabajos de investigación en la universidad. Mi interés fue fomentado también por la idea de conseguir hacer dichos prototipos a un coste muy bajo, pues el plástico es relativamente barato, en relación a lo que cuesta, por ejemplo una bobina de 2 Kg, y la cantidad de piezas, objetos, que puedes hacer con esa cantidad de plástico.
Otro aspecto que me motivó considerablemente a introducirme en este increíble mundo de la impresión 3D es el coste de una máquina como la tratada en este proyecto, que solo por el hecho de que es Open Source es tremendamente más barata que una impresora 3D comercial como las que podemos encontrar de algunos grandes fabricantes como HP. Todo lo que se necesita para construir y hacer funcionar la máquina: documentación, software, firmware, etc., es libre y, por tanto, puede adquirirse gratuitamente en internet, permitiendo además colaborar en el desarrollo y mejora de todas la partes.
Por otro lado, vi en la Prusa Mendel una forma de mejorar como ingeniero, una oportunidad para ampliar mis conocimientos en campos como la electrónica o la automática y de poner en práctica los que ya tenía gracias a mi proceso formativo en la Universidad.
Por último, por qué no decirlo, otra razón que me condujo a construir la impresora y a hacer este proyecto fue la idea de emprender un pequeño negocio propio, en el futuro, basado en el diseño y construcción de objetos de bajo coste, o incluso en la construcción de más impresoras 3D, a partir de mi Prusa Mendel.
Grado en Ingeniería Electrónica Industrial y Automática Trabajo Fin de Grado: Construcción de una impresora 3D Open Source Junio de 2.
1.2 Estado del Arte: Impresoras 3D y El Proyecto Reprap
Las impresoras 3D nacen de la idea de convertir en objetos reales diseños realizados con un programa CAD en un ordenador. Se utilizan a día de hoy para la creación de prototipos y la matricería o prefabricación de piezas en sectores como la arquitectura o el diseño industrial. Son además muy apropiadas en la creación de prótesis médicas, pues permiten adaptarlas a las características particulares de cada paciente con facilidad.
Existen en la actualidad varios tipos de impresoras 3D, por un lado están las de compactación de una masa de polvo por estratos, donde tenemos impresoras 3D de tinta que funcionan de manera que inyectan tinta aglomerante al polvo para compactarlo, es positivo el hecho de que al usar tinta se pueden mezclar colores; y, tenemos también impresoras 3D láseres, que polimerizan el polvo mediante una transmisión de energía, posteriormente, al acabar la impresión, de introduce la pieza en líquido para solidificarse. La ventaja de las impresoras 3D de tinta es que su proceso es más rápido y económico que el de las impresoras 3D láseres, y su desventaja, también frente a las impresoras 3D láseres, es que las piezas que obtenemos son más frágiles.
Por otro lado tenemos impresoras 3D que se basan en la inyección de polímeros. Se basan en la inyección de resinas líquidas que son tratadas con luz ultravioleta; son los llamados fotopolímeros. Su ventaja frente a las de polvo es que no requieren un tiempo de espera al finalizar la impresión para empezar a manipular las piezas; además se caracterizan por su gran precisión y buen acabado superficial, haciéndolas idóneas, por ejemplo, para imprimir diseños de matricería. Cabe destacar también, que han sido las primeras impresoras en ser capaces de mezclar dos materiales distintos en una sola impresión. Su única pega es que al acabar la impresión hay que retirar unos soportes usados para la misma mediante un chorro de agua a presión.
Por último, tenemos los tipos de impresora 3D, como el del modelo que se desarrolla en este proyecto, y en general todos los modelos del Proyecto Reprap, que están basadas en la extrusión en caliente de un filamento de plástico. Se basan en empujar un hilo de plástico a través de un dispositivo, denominado extrusor, que se calienta hasta una temperatura capaz de fundir ligeramente el material de plástico utilizado, por ahora ABS (220/230 ºC) o PLA (170/180ºC), sin llegar a derretirlo por completo. De esta manera, al llegar a la punta del dispositivo, que es mucho más fina que el filamento original, va expulsando por esta un fino hilo de plástico y lo va depositando en una base. Esta base debe estar caliente para que el hilo extruido se vaya quedando pegado y así la máquina pueda ir creando la pieza capa a capa. Si la base no estuviera lo suficientemente caliente para que el hilo se pegase bien (110/120 ºC para ABS, 60/70 ºC para PLA), a la vez que la máquina va ascendiendo construyendo las capas superiores iría arrastrando las capas ya impresas desfigurando por completo la pieza en construcción.
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Gracias a Reprap Foundation se comenzaron a impartir talleres por todo el mundo. El propio Zach Smith dirigió el taller que se celebró en Febrero de 2.009 en el Medialab Prado de Madrid, en el cual se construyó una Darwin.
Zach Smith aprovechó para dar a conocer la noticia de que habían creado MakerBot Industries, dónde cualquiera podría comprar el material necesario para construirse un modelo de impresora que habían desarrollado en MakerBot, la denominada Cupcake; que costaba en total, incluyendo gastos de envío, alrededor de 715 €.
Aunque para los que asistieron al taller del Medialab, entre los que se encontraba Juan González Gómez (uno de mis tutores en este proyecto), que fue el que encargó la Cupcake (que suponía además la MakerBot número 8), fue increíble poder contar con su propia impresora 3D, reconocen que era complicado montarla, requería soldadura y todo el ensamblado, y ponerla en marcha; además de que también fue, luego, complicado imprimir con ella pues daba muchos fallos.
En la imagen de la figura 2 podemos ver el modelo Cupcake, de MakerBot, del que se está hablando.
Figura 2. Impresora 3D modelo Cupcake, de MakerBot
Sin embargo esta Cupcake, a la que Juan González bautizó con el nombre R1, le sirvió para imprimirse las piezas con las que se construyó, dos años y medio después, su propia Prusa Mendel, a la que bautizó como R2; e incluso con R2 tardó solo unos meses en imprimirse las piezas necesarias para construirse su tercera impresora 3D, una Prusa Mendel iteración 2 a la que denominó R3. Esto muestra como el mundo de las impresoras 3D es tan fascinante que llega a cautivar por completo a ingenieros entusiastas como Juan González Gómez que es ya todo un experto en este ámbito y el creador del grupo Clone Wars del que posteriormente se hablará en este proyecto.
Grado en Ingeniería Electrónica Industrial y Automática Trabajo Fin de Grado: Construcción de una impresora 3D Open Source Junio de 2.
Continuando con la historia del Proyecto Reprap, cabe destacar también que Zach Smith, que recordemos que era uno de los impulsores de Reprap Foundation, creó la web Thingiverse, que podemos visitar en la siguiente dirección [1]. Creó esta web para subir sus diseños en 3D imprimibles y que los usuarios de impresoras 3D pudieran descargarlos. Hoy en día, son muchos los usuarios que suben sus propios diseños para intercambiarlos con otros usuarios; pero además se utiliza la web para valorar los diseños de los demás, compartir información acerca del ensamblado de los diseños que se suben, etc.
El siguiente hecho importante del Proyecto Reprap se dio en Octubre del año 2.009, cuando terminaron el diseño del modelo Mendel. Este nuevo modelo supuso el mayor avance para Reprap, pues suponía haber conseguido una impresora 3D aún más compacta y fácil de montar y replicar que las que ya existían.
En la figura 3 se muestra una imagen del modelo Mendel.
Figura 3. Impresora 3D modelo Mendel, del Proyecto Reprap
Pero el modelo Mendel no se quedó sólo en eso, de él comenzaron a surgir modelos derivados, como podemos ver en lo que podemos llamar el “árbol genealógico” del Proyecto Reprap, que se muestra en la figura 4.
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En la imagen de la figura 5 podemos ver el modelo Prusa Mendel original, el de Agosto del año 2.010, y en la de la figura 6 tenemos la segunda versión del modelo Prusa Mendel, el de Noviembre de 2.011. El lector verificará que estructuralmente los cambios son difíciles de apreciar a priori.
Figura 5. Impresora 3D modelo Prusa Mendel, del Proyecto Reprap
Figura 6. Impresora 3D modelo Prusa Mendel Iteración 2, del Proyecto Reprap
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Por otro lado, el ingeniero estadounidense Brook Drumm concluyó en Diciembre de 2.011 un nuevo modelo de impresora 3D denominado Printrbot, que está llamado a ser la revolución de las impresoras 3D. Este modelo es aún más simple y fácil de montar que el modelo Prusa Mendel. Además es expandible a lo largo de los tres ejes de movimiento, lo que significa que el tamaño de la impresora será personalizable por parte del usuario. El problema que tuvo es que solo estaba diseñada para métrica americana por lo que los usuarios europeos teníamos complicado construirla; pero ya hay varios ingenieros, miembros del proyecto Clone Wars del que hablaremos más adelante, que están rediseñando las piezas para adaptarla a la métrica europea, por lo que pronto será plenamente asequible, en Europa también, hacerse una Printrbot.
El modelo Printrbot es el que se muestra en la figura 7.
Figura 7. Impresora 3D modelo Printrbot, del Proyecto Reprap
El diseño de la Printrbot fue propuesto en Noviembre de 2.011, con la meta propuesta: “Una impresora en cada casa y en cada colegio”. Para realizarla se solicitó una financiación de 25.000 dólares, y se recibieron 830.000 dólares; 1.808 personas han aportado dinero voluntariamente.
Brook, el creador del modelo, ha iniciado una empresa a través de la web [3], en la que vende impresoras de su propio modelo y/o piezas y componentes para las mismas.
Actualmente, Josef Prusa, está muy cerca de acabar lo que será la tercera versión del modelo Prusa Mendel. Esta vez, se supone que será una versión totalmente nueva, que, según se dice, parece mezclar aspectos de la Mendel, la Prusa Mendel y la Printrbot, pero habrá que esperar a que se salga a la luz para ver si realmente es innovadora y es capaz de igualar, o incluso superar, a la Printrbot.
