7-sistema de posicionamiento aplicado a la técnica de impresión 3d modelado por deposicion fundida

8/16/2019 7-Sistema de Posicionamiento Aplicado a La Técnica de Impresión 3D Modelado Por Deposicion Fundida

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Resumen

Este artículo presenta el diseño y construcción deun sistema mecánico de posicionamiento, el cualhace parte de un prototipo mecatrónico queintegra las áreas de electrónica, mecánica, controle informática, formando una sinergia conducente

a crear una máquina automatizada que respondea las necesidades técnicas y requerimientos deuna impresora 3D, aplicando la técnica deprototipado rápido modelado por deposiciónfundida (FDM), para fabricar una pieza diseñadaen un software CAD, a través del posicionamientoy la acción de una herramienta extrusora deplástico en tres dimensiones.

La metodología planteada explica paso a paso eldiseño y construcción del sistema mecánico de

posicionamiento cartesiano tridimensional, en elcual se tienen en cuenta las variables y procesosnecesarios para la óptima respuesta de lamáquina, en lo concerniente al acabadosuperficial de la pieza, tiempo de impresión,paradas de emergencia, entre otras.

Palabras Claves: Control de movimiento,impresión 3D, prototipado rápido, sistemamecánico.

Abstract

This paper presents the design and constructionof a mechanical positioning system, which is partof a mechatronic prototype that integrates theareas of electronics, mechanics, control andcomputing, forming a synergy leading to create an

automated machine that meets the technicalrequirements and requirements for a 3D printer,using a rapid prototyping technology (FusedDeposition Modeling: FDM), to produce a partdesigned on a CAD software, through thepositioning and the action of a plastic extrudertool in three dimensions.

The proposed methodology provides, step bystep, the design and construction of themechanical system of three-dimensionalCartesian positioning, which takes into accountthe variables and processes necessary for optimalresponse of the machine, with regard to surfacefinishing, printing time, emergency stops, and soforth.

Key words: Motion Control, 3D printing, rapidprototyping, mechanical system.

SISTEMA DE POSICIONAMIENTO APLICADO A LA TÉCNICA DE IMPRESIÓN 3DMODELADO POR DEPOSICIÓN FUNDIDA

POSITIONING SYSTEM APPLIED TO THE 3D PRINTING TECHNIQUE: MODELING BYFUSED DEPOSITION.

Edgar Absalón Torres BarahonaJersson Xavier León Medina

Edwin Torres Díaz

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Rev. Investig. Desarro. Innov. Vol.3, N°.1 Junio - Diciembre 2012, 25-32. ISSN: 2027-8306

Recibido: Junio 22 de 2012: Diciembre 06 de 2012Aceptado

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Ingeniero electromecánico. Msc. Ingeniería mecánica. Profesor asistente, UPTC. E-mail: [email protected] Estudiante de ingeniería electromecánica. E-mail: [email protected] Estudiante de ingeniería electromecánica. E-mail: [email protected] Grupo en Energía y Nuevas Tecnologías “GENTE”. Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia Facultad Seccional Duitama.Carrera 18 Calle 22, Duitama, Boyacá, Colombia.

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1. Introducción

Con el propósito de apropiar tecnología y asumirlos retos de afrontar un mercado abierto donde elconocimiento, desarrollo e innovación seconvierten en los pilares de competitividad y dadoque la ingeniería regional debe buscar solucionesa necesidades del mejoramiento de la calidad devida de sus habitantes a partir del ofrecimiento deproductos y servicios, se plantea y desarrolla esteproyecto teniendo en cuenta que una de lasmúltiples áreas en desarrollo corresponde alprototipado rápido (Ardila, 2007) que creamodelos tridimensionales como prototipos oproductos terminados.

Esta tecnología se basa en el uso de diferentesprocesos como la estereolitografía, sinterizaciónselectiva por láser, manufactura de objetoslaminados, fotopolimerización por luz UV, Fusiónláser y modelado por deposición fundida, entreotros.

La técnica de modelado por deposición fundidaFDM, asumida para el desarrollo de este trabajo,representa una las principales técnicas para elprototipado rápido, tal y como lo muestrandiferentes publicaciones (Pearce et al., 2010), es elcaso de un estudio realizado (Pham y Gault,1998) ypublicado en International Journal of MachineTools & Manufacture, en el que se comparandiferentes tecnologías con respecto al costo y elacabado del modelo impreso, la eficiencia delvolumen construido con respecto al volumen de lamáquina, las emisiones y el trabajo de post-proceso, mostrando como resultado unafavorabilidad en cuanto a costo, volumen deimpresión, simplicidad y versatilidad.

Además de las razones anteriormente expuestas,el desarrollo del presente trabajo tiene en cuentala facilidad de acceso a tecnologías locales,materia prima, y costo para construcción delsistema; también se tiene en cuenta que laconstrucción de un prototipo de esta naturaleza,permite evaluar la apropiación de tecnología, el

desarrollo de este tipo de sistemas con tecnologíalocal y la técnica de prototipado utilizada.

Así como el modelado sólido 3D facilita el diseñode formas complejas y su representación gráfica, elprototipado rápido permite la fácil materializaciónde una maqueta real o de un modelo funcional(Gibson, 2005) Por otra parte, la incorporación delprototipado rápido, tecnología proveniente delsector industrial, en el proceso de enseñanza-aprendizaje, posibilita la transferencia deexperiencias de la actividad industrial al aula, porlo que se constituye en una innovación educativa(Heynick, 2006) que además está en línea con elconcepto actual de formación basada en

competencias.

En cuanto a innovación y desarrollo de estastecnologías, en el mundo se viene trabajando entemáticas como: la optimización de los sistemas através del control avanzado para mejorar laprecisión y terminado superficial, caracterizacióny aplicación de nuevos materiales para lasdiferentes técnicas de PR, aumento en la velocidadde fabricación, aumento en los tamaños de losprototipos, disminución de costos, minimizarefectos de post-proceso, entre otros.

En el artículo se describe el proceso seguido parael desarrollo del proyecto, desde el diseñomecánico hasta la construcción de un prototipo, ysu evaluación.

2. Materiales y métodos

En la técnica de prototipado rápido modelado pordeposición fundida se parte del modelamiento dela pieza a construir en un software CAD, la

conversión de dicho modelo a lenguaje demáquina y el gobierno de una planta para que unfilamento plástico se desenvuelva de un rollo yalimente una boquilla de extrusión. La boquilla secalienta para fundir el plástico hasta alcanzar elestado de transición vítreo y mediante unmecanismo de dosificación se controla el flujo delmaterial fundido (Zou et al., 2002). La boquilla se

SISTEMA DE POSICIONAMIENTO APLICADO A LA TÉCNICA DEIMPRESIÓN 3D MODELADO POR DEPOSICIÓN FUNDIDA

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monta sobre un sistema de posicionamientotridimensional que ubica las coordenadas X, Y y Zdeterminadas por la discretización de la pieza ydeposita un cordón o gota de plástico para formarcada capa del modelo. La Figura 1 muestra eldiagrama del sistema.

A partir del diseño CAD, el modelo es exportado aformato estándar de prototipado rápido o deestereolitografía con extensión .STL, este formatocorresponde a la definición de la superficie quedelimita exteriormente al modelo tridimensionalmediante una representación triangularizada y enconsecuencia adaptada a ella. Cada triángulo esdescrito por una dirección perpendicular y trespuntas que representan los vértices del triángulo.

Estos datos son utilizados por un algoritmoseccionador por capas que determina lassecciones transversales de la pieza. El anteriorproceso se realiza por la conversión del archivo.STL (Kumar, 1997) a código G, que determina lascoordenadas de posición para la impresión en 3D,la velocidad de movimiento, distancia entre capasy la actividad del extrusor de material. La Figura 2muestra una pieza en las diferentes etapas delproceso.

Finalmente un software maestro, que integra elcódigo G, configura diversas variables como eltiempo de inicio para puesta a punto, latemperatura de la herramienta de extrusión dematerial (Vargas, 2004), el avance y retroceso decada eje, el inicio y las paradas de emergencia(Montero, 2001); la figura 3 muestra el diagramade flujo de información.

2.1 Diseño del sistema de posicionamiento

El diseño toma como base el uso de un sistema

referencial cartesiano tridimensional, conmovimiento en cada eje gobernado de formaindependiente (Ángeles, 2007), teniendo encuenta que la deposición de material se hacesobre el plano horizontal X, Y y que eldesplazamiento vertical Z obedece al espesor de lacapa del material depuesto.

Figura 3. Diagrama de flujo de información para el control del sistema.

2.1.1 Diseño mecánico

El diseño del sistema de posicionamiento utiliza

para su desplazamiento el algoritmo deBresenham (Kenneth, 2002), a partir del cual segarantiza el seguimiento de trayectorias y laminimización del error. Este algoritmo considerapara el movimiento entre dos puntos del planoXY, una línea que va desde el punto inicial (x1, y1)hasta el punto (x2, y2), como se muestra en la


Figura 1. Sistema de prototipado rápido modelado por deposiciónfundida. Figura 2. Modelo CAD, Formato .STL y Código G de un modelo

creado

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EDGAR ABSALÓN TORRES BARAHONAJERSSON XAVIER LEÓN MEDINA

EDWIN TORRES DÍAZ

Figura 4. Movimiento establecido según algoritmo de Bresenham


figura 4. A partir de estos puntos se calculay , cuyos resultados

se comparan para establecer el eje demovimiento; si se toma x como el ejeconductor de lo contrario es el eje y el conductor.

Para determinar el movimiento en el plano XY, separte de los números reales entregados por elcódigo G, se utilizan coordenadas absolutas apartir de las cuales se define la posición inicial P1 yfinal P2 del extrusor y se discretiza para determinarlas características del desplazamiento; dentro dellazo principal del algoritmo la coordenadac o r r e s p o n d i e n t e a l e j e c o n d u c t o r e sincrementada en una unidad y en el otro eje(usualmente conocido como eje pasivo) esúnicamente incrementada según la necesidad,atendiendo al siguiente procedimiento:

Se calcula la pendiente m de la línea, la cual estádada por:

Se calcula el error inicial, dado por:

Donde x₁ y y₁ corresponden a las posicionesiniciales en los ejes coordenados.

Con estos resultados, se define el inicio delmovimiento desde el punto (x , y ), y se comienzaavanzando una unidad en el eje de movimiento, se

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le suma la pendiente al error inicial y se establece siel nuevo valor es mayor que 0, si no es así secontinua avanzando en el eje de movimiento y sevuelve a sumar la pendiente, hasta cuando dichasuma llegue a ser mayor que 0, en ese momento seincrementa una unidad en el otro eje y el error sedisminuye en una unidad, volviendo a iniciar elproceso hasta encontrar el punto de llegada (x , y ).

El movimiento en los ejes X y Y está descrito por de acuerdo con el algoritmo anterior; en

el eje Z el movimiento está definido de acuerdo alespesor de la capa de material depuesto.

2.1.2 Diseño para manufactura

El diseño propuesto tiene en cuenta lasrecomendaciones de (Chang, 1998), según la cualuno de los objetivos de diseño de un productotiene que ver con que este sea fácil yeconómicamente manufacturado, para ello sedeben tener en cuenta una serie de reglas talescomo: minimizar el número de partes, desarrollarun diseño modular, usar componentes estándar,establecer componentes multifuncionales,seleccionar materiales y procesos de manufacturaóptimos, establecer una ruta de ensamble de laspiezas y asumir tolerancias apropiadas.

A partir de estas recomendaciones se seleccionanmateriales y procesos de manufactura existentesen la región, que permitan un bajo costo y lacerteza de que sea posible la implementación delprototipo, con esto el sistema de posicionamientose compone de cuatro partes principales que son,la estructura soporte y tres ejes que controlan elmovimiento en las direcciones X, Y y Z.

Como criterios de diseño se asume laimplementación de un sistema con bajo peso,robusto y estético. Por estas razones se eligelámina de madera y materiales estándar para latransmisión de movimiento. Así mismo se asumenuna restricción para el volumen de trabajo de 20 x20 x 20 cm.

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2.2. Modelamiento matemático del sistema

Movimiento en el eje X

Este movimiento está gobernado por un motor yun mecanismo piñón-correa dentada que mueveuna masa determinada por la suma de loscomponentes de la herramienta extrusora dematerial y su estructura soporte, el movimientoesta guiado por rodamientos que se desplazansobre guías longitudinales, como se muestra en lafigura 5.

El desplazamiento está determinado por elnúmero de pasos por vuelta del motor y la relaciónde transmisión dada por el número de dientes delpiñón y al paso de la correa, la velocidad lineal esfunción de la velocidad angular del motor, y delradio del piñón; la potencia del actuador dependede la inercia, y las pérdidas por rozamiento. Losmodelos matemáticos para determinar los valoresanteriores se describen a continuación.

Desplazamiento

= Número de dientes del piñón para el eje =Paso de la correa N

P

n

m=Número de pasos por vuelta del motor =Pasos para el movimiento determinado

Velocidad

Siendo el cambio de dirección de la velocidaden un periodo de la señal de activación delactuador. Teniendo en cuenta que se usa un motorpaso a paso y que la frecuencia de activaciónestablece la velocidad angular del motor laaceleración está dada por:

Par motor

Donde TL es el par de carga y FS es el factor deseguridad que tiene en cuenta los efectos defricción y desniveles. Este último se estima en 2

La fuerza de arrastre requerida F, tiene en cuentalos efectos inerciales y está dada por el productoentre la masa y la aceleración, teniendo en cuentalas ecuaciones 10,11 y 12.

Movimiento en el eje Y

El eje Y asume las mismas características delmecanismo de transmisión de movimientodeterminadas para el eje X y su configuración semuestra en la Figura 6.

= Velocidad lineal del eje x

= Radio del piñón eje x

= Velocidad angular del motor del eje x

Aceleración máxima


Figura 5. Actuador para movimiento en el eje x

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c P

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según las características del espesor de la capafundida. El desplazamiento y velocidad estádepende del número de pasos por vuelta delmotor, la relación de transmisión de los engranesy el paso de la rosca de la varilla vertical, de lasiguiente forma:

N= Número de dientes de la coronaPt= Paso de la rosca de la varilla verticalPm=Número de pasos del motor por vuelta

n=Pasos para el movimiento determinado

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Con base en el modelo matemático y diseñospropuestos se determinan los resultadosconsignados en la tabla 1:

3.1 Selección de Actuadores

Los actuadores seleccionados son motores paso apaso HS 200 2221 de 200 pasos/vuelta, con un parmotor máximo de 75N*cm, suficiente para vencerlas pérdidas por rozamiento y la inercia del

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Movimiento en el eje Z

Este movimiento está gobernado por un motorpaso a paso, un sistema de transmisión demovimiento integrado por dos ruedas dentadas

que proporcionan movimiento rotacional a un ejetransversal, y este a su vez a través de dosmecanismos de tornillo sinfín-rueda dentadaubicados a los extremos del prototipo,proporciona el movimiento a dos varillas roscadasverticales que transmiten el movimiento en ladirección Z. La configuración se muestra en laFigura 7.

En esta dirección el cambio de posición estádeterminado por el estado de las coordenadasentregadas por el código G, las cuales varían

= Velocidad lineal del eje y

= Radio del piñón eje y

= Velocidad angular del motor del eje y

Figura 7. Actuador para movimiento en el eje z

CARACTERISTICA VALOR

Masa a mover en el eje X 2 Kg

Masa a mover en el eje Y 2,5 Kg

Masa a mover en el eje Z 4 Kg

Velocidad lineal del eje X 30 mm/s

Velocidad lineal del eje Y 30 mm/s

Velocidad lineal del eje Z 2,5 mm/s

Periodo T 4 s

Factor de seguridad FS 3

Par motor en el eje X 13,5 N*cm

Par motoren el eje Y 16,8 N*cm

Par motoren el eje Z 27 N*cm


EDWIN TORRES DÍAZ

Figura 6. Actuador para movimiento en el eje y

Tabla 1. Especificaciones técnicas del movimiento de la

herramienta de extrusión de plástico en cada eje.


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sistema. Para el control de posición se utilizansensores fin de curso óptico de barrera, quienesdeterminan el alcance máximo en cadacoordenada y la posición de referencia inicial.

El sistema de control que gobierna el sistemamecánico está basado en primer lugar en unalgoritmo que a través de un software maestroenvía información a un segundo sistemaelectrónico correspondiente a una tarjeta decontrol, éste se encarga de interpretarla y enviarsalidas de paso y dirección a unos amplificadoresde potencia para el control de los actuadores;finalmente los sensores hacen la debidaretroalimentación a la tarjeta de control.

3.2 Construcción del sistema mecánico

La Figura 8 muestra el sistema mecánico diseñadoen el software Solid Edge ST4 y el sistemaconstruido según las especificaciones técnicasmostrado en la tabla 2.

3.3 Pruebas al sistema

En la parte izquierda de la figura 9 se muestra una

pieza modelada en Solid Edge ST3, la cual ha sidoconvertida en formato .STL y llevada a código G einterpretada por el software de control de laimpresora; como resultado se han obtenido, comopruebas preliminares, dos capas de impresiónhechas con tinta por el sistema construido lascuales se muestran en la parte derecha de la figura9, donde se aprecia la concordancia entre elmodelo diseñado y el producto impreso.

4. Conclusiones

E l d i s e ñ o y f a b r i c a c i ó n d e m o d e l o stridimensionales por prototipado rápido entra aformar parte de procedimientos productivos, porlo que este proyecto da respuesta a los

requerimientos en este campo a partir deapropiación y desarrollo de tecnología paraatender a las necesidades del entorno regional.

El diseño e implementación del sistema deposicionamiento corresponde a un mecanismo detres grados de libertad, con una precisión derespuesta que se ajusta a los criterios de diseñodefinidos.

La estrategia definida para el control del sistema

mecánico, considera una primera etapa en la quese hace retroalimentación para posicionamiento através de sensores on/off; estableciendo una basepara el desarrollo posterior de una estrategia decontrol avanzada, que contemple tanto elposicionamiento como la velocidad de avancepor ejes y del sistema de inyección.

DESCRIPCIÓN ESPECIFICACIÓNTÉCNICA CALCULADA

ESPECIFICACIÓNTÉCNICA MEDIDA

Movimiento enel eje x

0.400 mm/paso 0.415 mm/paso

Movimiento enel eje y

0.400 mm/paso 0.400 mm/paso

Movimiento enel eje z

0.375 µm/paso 0.390 µm/paso


Figura 8. A la izquierda el diseño CAD del sistema y a laderecha la impresora construida

Tabla 2. Especificaciones técnicas del movimiento de laherramienta de extrusión de plástico en cada eje.

Figura 9. A la izquierda la pieza: STL idealizada y a laderecha la impresión de dos capas de la pieza de prueba

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Finalmente, el diseño del prototipo y suimplementación se convierte en un punto departida para la construcción de un equipo deaplicación industrial que considere mejoras tantodel sistema mecánico como del sistema de control.

Agradecimientos

A la Ingeniera María Luisa Pinto y al IngenieroOliverio Duran por su continua colaboración,comprensión y apoyo durante la realización deltrabajo y compartir su conocimiento en temasconcernientes en la investigación. De igual formaa los funcionarios de la Universidad Pedagógica yTecnológica de Colombia que fueron involucrados

en el proceso de la construcción de la impresora deprototipado rápido.

Pearce, J. (2010). 3-D Printing of open sourceappropriate technologies for self-directedsustainable development. Queen's University 60Union St., Kingston.

Ardila, J. (2007) .Manufactura por capas:prototipado rápido. Universidad Nacional deColombia .sede Medellín.

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