Dimensionando un proyecto

Imagen: https://printm3d.com

Por: Roberto Alejandro Espí Muñoz (Tomado de Cachivache Media)

Continuando con el tema de la impresión 3D, del cuál ya habíamos hablado hace unos meses; el hecho de utilizar máquinas de este tipo trae consigo un cambio paradigmático de cómo observamos e interactuamos con el mundo. Muchos lo ven como el próximo paso tecnológico: una mejora en la decentralización de la producción de bienes, la posibilidad de crear desde tu propio hogar. 

Es interesante ver iniciativas como la del gobierno británico de empezar a incluir en las escuelas de niveles primarios talleres para difundir el uso de impresoras 3D en proyectos escolares. Sabremos así al menos, qué tendremos en unos años por este lado del planeta. Mientras llega la tecnología, es interesante ir conociendo algunos tips y experiencias en el montaje y uso de equipos de este tipo que quizás puedan ser de utilidad a entusiastas y personas creativas. Puede que parezca un tema muy avanzado, pero en realidad es muy atractivo, interesante y, sobre todo, al alcance de las manos desde Cuba.

Empezando

“Presupuesto”, la palabra de orden para cualquier proyecto nuevo que no involucre una necesidad básica. ¿Cuánto tenemos? ¿cuánto necesitamos? ¿qué haremos? Recomiendo empezar desde abajo e ir, a medida que nos internemos, mejorando en condiciones y tecnología.

Descartemos:

  • Impresoras de gama alta: máquinas que se provean por compañías especializadas que pueden pasarse de los 2000 o 4000 USD.
  • Impresoras armadas: máquinas montadas por unos extra cientos de USD.

¿Qué recomiendo?

  • Elegir como base de diseño una impresora por deposición de extrusión, son las más difundidas entre aquellos que empiezan.
  • Armar una, consiguiendo piezas locales preferentemente y agregando siempre un toque de ingenio.

¿Qué ventaja tiene armar una propia sobre adquirir una ya armada? Es posible que nos ahorremos un poco de tiempo comprando una impresora off-the-shelf, pero con el tiempo las piezas internas se irán descalibrando por el mismo uso o requerirán de mantenimiento. Esto es un problema que los fabricantes no pueden resolver desde donde estamos. Eventualmente necesitaremos ayuda especializada para esto y ¿qué mejor manera de encontrar un especialista que en nosotros mismos?

Existen piezas y partes que no encontraremos ni en los centros espirituales para este tipo de impresoras, por lo que no podremos evadir el tener que importarlas. Estas y otras que logremos conseguir, serán los primeros bloques para lo que queramos construir. Existen muchos diseños de impresoras 3D, estos son de los más conocidos:

  • Prusa
  • Mendel
  • Phoenix
  • PrintrBot
  • MakerBot

Ten presente que cada diseño trae planos específicos de construcción, con un número determinado de piezas y guías de ensamblaje. Queda a elección del lector buscar todo lo pertinente a la documentación. ¿Dónde empezar? RepRap Wiki.

Divide y vencerás

El sabio método antiguo no deja tener valor para este caso. Es importante que veamos la máquina como una selección de módulos que ensamblamos por partes, y que cada uno tiene sus pasos y métodos.

Pensemos en una impresora 3D por deposición como un armazón, que tiene un cabezal y todo se controla desde varios dispositivos electrónicos. ¿No es tan difícil verdad? Tres módulos, tres áreas de enfoque.

Si ya los ven, vamos por buen camino. En la última imagen se ve el dispositivo de control electrónico.

Armazón

Lo primero en toda estructura siempre es el armazón, el primer pilar que sostendrá la obra. ¿Cómo puede lucir armado?

Ensamblarlo requiere de la guía de diseño de la impresora (así como el resto de los componentes), así como un juego de herramientas que puede tener pinzas, llaves ajustables, tornillos y tuercas.

Lo interesante que verán aquí es cómo algunas de las piezas que conforman el armazón fueron a la vez hechas por otras impresoras. ¿Qué variantes tenemos para conseguir todo?

  • Comprar juegos completos de piezas. Como precio de referencia estará todo en unos 120USD para una Prusa i3, como podemos apreciar en estos enlaces:
  • Localizar equivalentes a las piezas originales. Esto nos ahorraría unos 100 USD. Tengan en cuenta que estas máquinas usan piezas estándares: cajas de bolas, sinfines y tornillería que pueden ser sustituidos por equivalentes.
  • Fabricar el resto de las piezas. Con esta variante sí reducimos al mínimo lo necesario para el armazón, lo único que necesitan es otra impresora 3D para hacer las piezas de plástico, y si se les parece esto al cuento del huevo y la gallina, es bueno saber que en Cuba existen talleres y proyectos que tienen ya impresoras armadas y brindando servicios a quien lo solicite … ergo, la gallina primero. La estructura central del armazón se puede hacer en diversos materiales: madera, aluminio, plywood. Existen múltiples diseños disponibles con las medidas para crear nuestra propia estructura.

Con las piezas en una mano, y la guía en la otra, lo que queda es tiempo para armar y medir que todo quede en su lugar y a la distancia necesaria. El armazón sostendrá toda la estructura de la impresora: las piezas móviles, el cabezal, el carretel del filamento y, por supuesto, el objeto que estamos imprimiendo. Necesitarán que todo se asemeje lo más cercano posible al diseño original: nivelado, estable y robusto.

Notarán que, para este tipo de impresora, a medida que la arman irán viendo los tres ejes básicos: X, Y, Z. Se darán cuenta además cómo van encajando el resto de los componentes.

Hasta el momento, han visto cómo el ensamblaje inicial (y el más complicado), depende del grado de presupuesto vs creatividad que tengamos. De aquí en adelante nos toparemos con piezas o módulos más fácil de ensamblar pero un poco más difíciles de conseguir.

Cabezal

El cabezal para una impresora 3D por deposición es bastante simple en cuanto a funcionamiento y ensamblaje. Requiere de componentes un poco más específicos que los del armazón, y necesita un grado mayor de cuidado al montarlo. En el cabezal es donde ocurrirá como tal la “magia” del proceso, es donde el filamento de plástico entrará por un extremo y terminará como un hilo fundido listo para depositarse por el otro.

Los componentes principales de un cabezal son:

  • Extrusor. Es una mezcla de piezas que hacen que se logre derretir el material del filamento de entrada. Su complejidad varía en cuanto al diseño y se consigue generalmente como un todo para evitar inconsistencias entre diferentes partes. Como referencia, este componente puede salir en unos 15USD. Lo componen:

Varilla caliente. Es la pieza que alcanza la temperatura necesaria para fundir el filamento.

Termistor. Sensor que le brinda al control electrónico la retroalimentación necesaria para regular la temperatura.

Punta fría, punta caliente. Une a las dos piezas anteriores y representa en sí los dos extremos de la extrusión, por donde entra el plástico y por donde sale.

  • Piezas de sujeción. Son piezas de plástico generalmente que sirven para fijar los componentes del extrusor al armazón principal. El mismo principio del armazón se cumple aquí, se pueden imprimir o conseguir.

Dispositivos de control electrónico

Arribamos al último de los componentes. Entramos en un área donde “armar” se reduce a empatar y atornillar cables a tomas, teniendo siempre cuidado de seguir claramente las instrucciones para no terminar destruyendo componentes que pueden costar dinero. En la práctica verán que son un grupo de placas, motores y sensores que operan de conjunto para controlar y medir el estado de los parámetros en la impresora. Son su cerebro.

Lo componen:

  • Fuente de alimentación. Es el componente que energiza todo. Está muy difundido el uso de dos variantes, una fuente especializada de 24V de salida y una fuente ordinaria de computadora (preferentemente de 500W en lo adelante) de la cual nos interesa principalmente la toma de 12V.
  • Motores de paso. Son motores que mueven los ejes principales del armazón de la impresora y el filamento hacia dentro del extrusor. El juego completo puede costar 8USD. En muchos diseños se usan 5:

◦ 2 para el eje Z (el vertical que sostendrá más peso)

◦ 1 para el eje X (el horizontal que moverá el cabezal)

◦ 1 para el eje Y (el de profundidad que moverá la base donde se deposita el objeto)

◦ 1 para el cabezal donde se inserta el filamento.

Cama caliente. Es el componente que se ubica sobre la base donde se depositará el objeto. Es un componente cuyo diseño está libre para ser replicado ya que usa una resistencia interna y pantallas a base materiales como cobre y aluminio. Sin embargo, se recomienda adquirirlo de una fuente segura ya que un mal diseño de esta parte puede comprometer el trabajo final. Se vende generalmente con un termistor que sirve como sensor de temperatura para controlarlo de la misma manera que se hace con el extrusor. Se puede adquirir por unos 10USD.

  • Motherboards de control. Son la unidad de control de central que cargarán un firmware que permitirá operar, controlar y sensar el estado de la máquina. Existen varios modelos que se emplean según las guías que elijamos. Las más difundidas son placas Arduino para el control general y ATMega que interactúan con los motores de paso. En total pueden salir todas piezas necesarias para armar una en unos 35USD.

Las motherboards requieren de firmwares que están disponibles para ser configurados según el modelo de impresora y descargados hacia las placas. Su uso no requiere de conocimientos avanzados de programación ni nada por el estilo, basta con que sepamos seguir una guía y editemos un archivo de texto, es así de simple.

Calibración

Llegados al punto de que todo está ya montado, y nuestra nueva y flamante impresora se va pareciendo a los diagramas e imágenes de las guías que seguimos, viene el momento de la calibración que nos permitirá ir ajustando los parámetros de operación de la máquina para que funcione lo mejor posible.

Muchas guías ofrecen maneras de calibrar y sugerencias generales, otras se pueden buscar fácilmente en Internet a partir de experiencias propias de otros entusiastas. Algo importante en este punto, la calibración debe servir no como una forma de ver donde fallamos, sino como una vía para arreglar y mejorar el diseño que estamos construyendo.

Puntos importantes:

  • Nivelar el equipo. Debemos medir cómo estamos respecto a la gravedad desde el piso que pisamos, la superficie de la mesa y cómo quedó el armazón montado en una posición que se debe mover lo menos posible. Aquí se debe tomar en cuenta también la altura que queda del cabezal hasta la cama. Esta debe ser muy precisa y estable a través de toda la cama ya que la deposición de plástico ocurre por gravedad, si al caer no queda a la misma distancia o muy separado, el objeto se deformará.
  • Engrasar las correderas del armazón. Esto ayudará a los ejes a moverse. Generalmente las correderas son lisas y ayuda a que sobre ellas se deslicen suavemente las piezas móviles.
  • Fijar los límites de impresión. Se deben ajustar las fronteras sobre el cual el extrusor se moverá. Sabiendo que el objeto que imprimamos se deposita sobre una cama que tiene unas dimensiones fijas, podemos inferir que las dimensiones en esos dos ejes no pueden superar los de la cama sino terminaríamos con una pequeña cascada de plástico por nuestra mesa. Lo mismo se cumple para la altura, en ocasiones no puede el eje Z subir todo lo que queremos porque se estira algún cable, o choca alguna otra pieza.
  • Ajustar los componentes electrónicos. Los componentes electrónicos deben operar bajo condiciones estables y seguras. Dos factores claves aquí, corriente y temperatura. Generalmente, los dos van de la mano. Los motores de paso, por ejemplo, al no recibir la cantidad necesaria de corriente hacen ruido y se sobrecalientan, disminuyendo así su vida útil con el tiempo. Las placas principales al recibir un consumo muy elevado de corriente se pueden calentar y verse afectadas. Las guías de ensamblaje muestran cómo ayudar a nuestros componentes con ventiladores y ajustes mecánicos para mejorar el consumo eléctrico.
  • Establecer parámetros de movimiento del cabezal. Con el tiempo y el uso irán intuyendo bajo qué parámetros opera mejor el equipo y queda mejor el objeto que se imprima. Piensen en la base de todo: una impresora 3D mueve un cabezal a través del espacio tejiendo una figura. Muchos factores influyen aquí como pueden ser la velocidad de movimiento, espesor de las paredes y si se construirán paredes huecas, entre otros.

Un factor clave en la calidad final del trabajo es la temperatura bajo la cual pueda operar el proceso de extrusión y depósito del filamento. Para que tengan una idea, un filamento con base ABS puede fundirse a 220ºC y requiere que la cama caliente esté a unos 120ºC para que se adhiera durante todo el proceso de extrusión y no se deforme. La varilla caliente del extrusor, que es más pequeña que el dedo índice y requiere de mayor temperatura, se calienta muy rápido ya que no requiere de mucha energía. La cama caliente, sin embargo, es el componente que más energía consume ya que tiene una resistencia de 200mm x 200mm y debe llegar a la temperatura indicada. Ante esta situación, la elección de la fuente de energía es clave. Se recomienda conseguir una fuente de 24V o una fuente de 12V lo más potente que puedan ya que, aunque los diseños actuales de camas aceptan las dos, desde el punto de vista térmico se obtiene más calor con una de 24V.

Las condiciones del local donde se imprima juegan un papel clave también: el uso de equipos de climatización así como humedad relativa fuera de lo normal pueden influir en el rendimiento de la cama.

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