Disseny i construcció d'un cotxe teledirigit a escala 1:10

TREBALL FI DE GRAU Grau en Enginyeria d’Automoció DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN COTXE TELEDIRIGIT A ESCALA 1:10 Memòria i Annexos Autor: Iker Falcó Urrecha Director: Jordi Vives Costa Convocatòria: Gener 2025 Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 ii Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 iii RESUM El treball consistirà en el disseny i la fabricació amb impressió 3D d'un prototip de vehicle a escala 1:10, completament funcional, utilitzant components electrònics propis dels cotxes teledirigits d'aquesta escala i amb la menor quantitat possible de peces o elements comercials. La impressió 3D és una nova tecnologia actualment en alça que permet realitzar diferents prototips, fent servir materials biodegradables com a matèria primera i reduint al màxim l’impacte mediambiental, i optimitzar els processos de fabricació. Per dur a terme aquest projecte, s’utilitzarà el programari de disseny CAD Catia V5 per al disseny de totes les peces i la impressora 3D Creality Ender 3 Pro amb la finalitat de poder portar a la realitat el prototip d’una manera senzilla i econòmica. La finalitat serà la creació d’un cotxe radiocontrol per un ús exclusivament lúdic i no professional. Per tant, el disseny i els components electrònics estaran enfocats a aquest ús. En un projecte d’aquest tipus, des que es planteja una idea inicial fins a obtenir el resultat final, existeixen molts factors que poden fer que el disseny final sigui diferent de la idea inicial. En conseqüència, la base d’aquest projecte és analitzar tots aquests factors per poder-los anar resolent a mesura que s’avança el prototip final. Una vegada amb el prototip final completament desenvolupat, s’ha observat petites millores que podrien tenir lloc en una futura segona versió d’aquest cotxe, principalment en els components electrònics utilitzats. A causa de les limitacions de la impressora 3D usada, s’ha observat que a l’hora d’imprimir peces petites o amb toleràncies molt justes és necessari l’aplicació de processos de postproducció com el llimat. Finalment, també s’ha observat que el PLA (Poliàcid Làctic), és a dir, el material emprat en el 95% de les peces impreses, presenta certes limitacions a l’hora de resistir impactes o esforços elevats. Tot i això, s’ha decidit utilitzar aquest material per prioritzar la reducció de l’impacte mediambiental. Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 iv RESUMEN El trabajo consistirá en el diseño y fabricación mediante impresión 3D de un prototipo de vehículo a escala 1:10, completamente funcional, utilizando componentes electrónicos propios de los coches teledirigidos de esta escalera y con la menor cantidad posible de piezas o elementos comerciales. La impresión 3D es una nueva tecnología actualmente al alza que permite realizar distintos prototipos, utilizando materiales biodegradables como materia prima i reduciendo al máximo el impacto medioambiental, y optimizar los procesos de fabricación. Para llevar a cabo este proyecto, se utilizará el software de diseño CAD Catia V5 para el diseño de todas las piezas y la impresora 3D Creality Ender 3 Pro con el fin de poder llevar a la realidad el prototipo de una forma sencilla y económica. La finalidad será la creación de un coche radiocontrol para un uso exclusivamente lúdico y no profesional. Por este motivo, el diseño y los componentes electrónicos estarán enfocados para este uso. En un proyecto de este tipo, desde que se plantea una idea inicial hasta obtener el resultado final, existen muchos factores que pueden hacer que el diseño final sea diferente a la idea inicial. Por tanto, la base de este proyecto es analizar todos estos factores para poder ir resolviéndolos a medida que se avanza el prototipo final. Una vez con el prototipo final completamente desarrollado, se han observado pequeñas mejoras que podrían tener lugar en una futura segunda versión de este coche, principalmente en los componentes electrónicos utilizados. Debido a las limitaciones de la impresora 3D utilizada, se ha observado que a la hora de imprimir piezas pequeñas o con tolerancias muy justas es necesaria la aplicación de procesos de postproducción como el limado. Por último, también se ha observado que el PLA (Poliácido Láctico), es decir, el material utilizado en el 95% de las piezas impresas, presenta ciertas limitaciones a la hora de resistir impactos o esfuerzos elevados. Sin embargo, se ha decidido utilizar este material para priorizar la reducción del impacto medioambiental. Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 v ABSTRACT This degree thesis will involve the design and manufacture, through 3D printing, of a fully functional 1:10 scale prototype vehicle , using electronic components typical of remotecontrolled cars of this scale while minimizing the use of commercial parts or elements. 3D printing is an emerging technology that enables the creation of various prototypes using biodegradable materials as raw material, thereby minimizing environmental impact and optimizing manufacturing processes. To carry out this project, the CAD design software Catia V5 will be used to design all the pieces, and the Creality Ender 3 Pro 3D printer will be employed to bring the prototype to life in a simple and cost-effective manner. The goal will be to create a radio-controlled car for a purely recreational, non-professional use; therefore, the design and electronic components will be tailored to this purpose. In a project of this type, from the initial idea to the final result, many factors can lead to a design that differs from the original concept. Thus, the basis of this project is to analyse all these factors and resolve them progressively as the final prototype develops. Once the fully-developed final prototype was completed, minor improvements, wich could be implemented in a future version of the car, were identified; these improvements mainly relate to the electronic components used. Due to the limitations of the 3D printer used, it was observed that printing small parts or parts with very tight tolerances requires post-production processes such as filing. Finally, it was also noted that PLA (Polylactic Acid), the material which was used for 95% of the printed parts, has certain limitations regarding resistance to impacts or high stress. Nonetheless, this material was chosen to prioritize the reduction of environmental impact. Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 vi AGRAÏMENTS M’agradaria començar aquests agraïments destacant el suport i la paciència de la meva família, que han estat el meu puntal durant tot aquest procés, ja que sense el seu ànim constant, arribar a aquest punt del grau hagués estat completament impossible. El meu lloc de residència ha estat sempre a Lleida i estudiar a Manresa ha suposat un gran esforç per part dels meus pares Inma i Juanjo. Per aquest motiu, agraeixo tot el que han fet perquè pogués cursar el grau d’enginyeria d’Automoció a Manresa. Seguidament, m’agradaria agrair al meu germà Asier per l’ajuda i orientació que m’ha brindat a l’hora de realitzar la presentació d’aquest projecte. Vull fer, també, un agraïment especial al meu tutor del TFG, el professor Jordi Vives Costa, per la seva dedicació en la direcció d’aquest projecte, la resolució dels dubtes que han anat sorgint en la seva realització i pels consells que m’ha donat per preparar la presentació oral. Tot això, mostrant-se sempre molt proper i disposat a donar-me un cop de mà sempre que m’ha calgut. D’altra banda, també m’agradaria agrair a la meva parella Pilar Gómez, amb la qual convisc diàriament, per ajudar-me a compaginar la vida laboral amb la realització d’aquest projecte. Finalment, també m’agradaria agrair el suport que he rebut dels meus amics els quals en tot moment m’han animat a fer un treball d’aquest caire. Sense el suport i l’ajuda de totes aquestes persones, realitzar aquest projecte s’hauria convertit en una tasca molt pesada i difícil, pràcticament impossible i és per això que vull mostrar els meus sincers agraïments a tot aquest grup de persones que han estat sempre al meu costat. Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 vii ÍNDEX RESUM ............................................................................................................................... iii RESUMEN ........................................................................................................................... iv ABSTRACT ........................................................................................................................... v AGRAÏMENTS ..................................................................................................................... vi ÍNDEX FIGURES .................................................................................................................... x ÍNDEX TAULES .................................................................................................................. xiii ÍNDEX FÓRMULES .............................................................................................................. xv 1. INTRODUCCIÓ .................................................................................................................. 1 1.1 Motivació ............................................................................................................................. 1 1.2 Objectiu i abast.................................................................................................................... 1 2. ESTAT DE L’ART ................................................................................................................ 3 2.1 Cotxes RC ............................................................................................................................. 3 2.1.1 Història i evolució dels cotxes RC ................................................................................. 3 2.1.2 Els orígens del control remot: les bases tecnològiques ............................................... 3 2.2 Software CAD ...................................................................................................................... 5 2.2.1 Què són les tecnologies CAD? ...................................................................................... 5 2.2.2 Història CAD ................................................................................................................. 6 2.2.3 L’elecció de CATIA V5 R21 ............................................................................................ 7 2.3 Impressió 3D ........................................................................................................................ 8 2.3.1 Origen ........................................................................................................................... 8 2.3.2 Què és i com funciona la impressió 3D? ...................................................................... 8 2.3.3 Pros i contres en vers altres mètodes de fabricació .................................................... 9 2.3.4 Característiques tècniques de la impressió 3D .......................................................... 10 3. FABRICACIÓ D’UN COTXE RC .......................................................................................... 12 3.1 Metodologia ...................................................................................................................... 12 3.1.1 Mesures i elecció de l’escala del model ..................................................................... 12 Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 viii 3.1.2 Metodologia del disseny 3D ....................................................................................... 13 3.1.3 Impressora utilitzada .................................................................................................. 15 3.1.3.1 Millores impressora ............................................................................................. 16 3.1.4 Paràmetres d’impressió utilitzats ............................................................................... 22 3.1.5 Electrònica utilitzada .................................................................................................. 23 3.1.5.1 Bateria LiPo ......................................................................................................... 23 3.1.5.2 Motor “brushless” ............................................................................................... 24 3.1.5.3 Controlador ESC (Electronic Speed Controler) .................................................... 25 3.1.5.4 Servomotor.......................................................................................................... 27 3.1.5.5 Receptor .............................................................................................................. 28 3.1.5.6 Emissor ................................................................................................................ 29 3.1.5.7 Giroscopi ............................................................................................................. 31 3.1.6 Components comercials ............................................................................................. 32 3.1.6.1 Fixacions .............................................................................................................. 32 3.1.6.2 Rodaments .......................................................................................................... 35 3.1.6.3 Volanderes .......................................................................................................... 36 3.1.7 Materials utilitzats en la impressió 3D ....................................................................... 37 3.2 Disseny .............................................................................................................................. 41 3.2.1 Plataforma .................................................................................................................. 41 3.2.2 Sistema de transmissió ............................................................................................... 41 3.2.2.1 Càlcul engranatges .............................................................................................. 42 3.2.2.2 Velocitat màxima teòrica .................................................................................... 44 3.2.3 Sistema de direcció .................................................................................................... 45 3.2.4 Sistema de suspensió ................................................................................................. 45 3.2.5 Para-xocs .................................................................................................................... 47 3.3 Impressió del prototip ....................................................................................................... 47 3.4 Muntatge i disseny final .................................................................................................... 50 4. ANÀLISI IMPACTE MEDIAMBIENTAL ............................................................................... 53 Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 ix CONCLUSIONS ................................................................................................................... 56 COST DEL PROJECTE ........................................................................................................... 57 BIBLIOGRAFIA .................................................................................................................... 60 ANNEXOS .......................................................................................................................... 63 Renders ................................................................................................................................... 63 Plànols ..................................................................................................................................... 66 Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 1 1. INTRODUCCIÓ 1.1 Motivació A la recta final del grau en automoció, ha arribat el moment de realitzar el Treball de Fi de Grau (TFG), una oportunitat per posar en pràctica els coneixements adquirits al llarg d’aquests anys i aprofundir en un tema específic que desperti el nostre interès. Des de petit, m’ha apassionat el món de l’automoció i dels motors. Aquesta atracció em va portar a cursar un CFGS d’automoció, però sentia que volia anar més enllà i obtenir una visió tècnica més àmplia del sector. És per això que vaig decidir iniciar el grau en Enginyeria d’Automoció a la EPSEM. Des del primer quadrimestre, vaig descobrir que la meva gran passió dins de l’automoció era el disseny CAD, un àmbit en què he anat desenvolupant-me i formant-me contínuament fins a aconseguir treballar en una empresa puntera en aquest sector. Aquesta passió pel disseny em va conduir a una altra inquietud: la impressió 3D. La considero l’eina ideal per transformar en realitat qualsevol model CAD d’una manera econòmica i precisa. Així, vaig adquirir una impressora 3D i vaig començar a crear diferents peces, millorant progressivament la qualitat dels meus dissenys fins a assolir resultats pràcticament professionals. Ara, probablement, arriba la decisió més important d’aquests últims anys: triar un tema que sigui tan atractiu com tècnicament interessant per al TFG. Quina millor manera de fer-ho que unir aquestes dues passions? Així, el tema escollit per a aquest projecte serà el disseny CAD i la fabricació, amb impressió 3D, d’un prototip de cotxe RC a escala 1:10. 1.2 Objectiu i abast L’objectiu principal d’aquest treball és la fabricació d’un cotxe RC completament funcional utilitzant el menor nombre de peces comercials i adaptar el disseny CAD a una impressora 3D FDM de gamma mitja. Respecte al disseny del model, s’ha decidit fabricar el model a una escala 1:10, ja que és una escala molt comuna en el món del ràdio control i té unes dimensions prou grans per poder fabricar totes les peces sense cap mena de problema. Cal remarcar que les impressores 3D de gamma mitja tenen certes limitacions que s’han de respectar a l’hora de modelar. Per aquesta raó, tot el disseny està adaptat per poder imprimir-se d’una manera fàcil i, alhora, emprant la menor quantitat de material per reduir els costos de fabricació. Quant al model final, aquest TFG es basa principalment en el modelatge CAD i la fabricació d’un cotxe RC funcional i és per això que per a la part de l’electrònica s’ha decidit utilitzar elements comercials que munten altres vehicles d’aquesta escala, afegint-hi un nou repte. Així, no es tracta tan sols crear un disseny fàcil d’imprimir, sinó també de què funcioni correctament i s’adapti a elements comercials com podrien ser el motor, el controlador, etc. D’altra banda, tampoc es busca la fabricació en sèrie del model, ja que la impressió 3D és un mètode de fabricació que requereix moltes hores i, per tant, no seria viable produir- Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 2 lo a gran escala ni utilitzar el model en competició a causa de les limitacions mecàniques dels materials fets servir en el procés de fabricació. En definitiva, l’objectiu principal és crear un prototip completament funcional per donarli un ús d’oci. Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 3 2. ESTAT DE L’ART 2.1 Cotxes RC 2.1.1 Història i evolució dels cotxes RC Els cotxes de radiocontrol (RC) han recorregut un llarg camí des dels seus inicis com una curiositat tecnològica fins a convertir-se en un fenomen global, amb un ampli ventall d'aplicacions que van des del joc recreatiu fins a la competició seriosa. Aquesta evolució ha estat impulsada tant per les innovacions en electrònica i materials, com per la creativitat i dedicació dels aficionats que han desenvolupat aquesta tecnologia al llarg de les dècades. 2.1.2 Els orígens del control remot: les bases tecnològiques A finals del segle XIX, va sorgir la idea de controlar objectes a distància utilitzant senyals de ràdio i és l’any 1898, quan Nikola Tesla va ser el pioner d’aquesta idea presentant un vaixell teledirigit al Madison Square Garden de Nova York. Aquest vaixell controlat mitjançant senyals de ràdio es considera el primer pas cap al desenvolupament dels vehicles teledirigits, però, tot i això, els primers models de cotxes RC no van aparèixer fins molts anys després. Es pot afirmar que aquests inicis van establir les bases per al que seria una innovació en el món del joc i la tecnologia de radiocontrol (PBS, 2024). Figura 1. Vaixell teledirigit Nikola Tesla (Font: XOSYC) Al voltant dels anys seixanta, quan els avenços en electrònica van permetre la suficient miniaturització dels components electrònics per a integrar-los en vehicles de joguina, van arribar al mercat els primers cotxes de radiocontrol comercial. Aquests models estaven alimentats per bateries i utilitzaven motors elèctrics senzills amb un control molt limitat sobre el moviment. Tot i això, el públic va rebre molt bé aquesta idea i és per això que la indústria va veure un gran potencial per expandir-se i invertir en aquest sector, ja que era la primera vegada que nens i adults podien experimentar l’experiència de conduir un cotxe de manera remota. A mesura que els cotxes RC guanyaven popularitat, els fabricants van començar a buscar formes de millorar el rendiment dels models existents i és a la dècada dels setanta quan van arribar dos avenços importants: la introducció dels motors de Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 4 combustió interna, que permetien una major velocitat i oferien una experiència més realista gràcies als sons i les vibracions que aquests generaven, i el desenvolupament de sistemes de control proporcional, que permetien una resposta més precisa en la direcció i acceleració. Aquests dos grans avenços van elevar l'experiència de conducció i van obrir la porta a l'ús dels cotxes RC en competicions (Hobby Team, 2024). Figura 2. Cotxe RC anys 70 (Font: Pinterest) La dècada dels vuitanta va portar una explosió en la popularitat dels cotxes RC, amb una gran varietat de models disponibles al mercat per a diferents nivells d’habilitat i interès. Es van començar a produir cotxes especialitzats per a diferents tipus de terrenys, com els buggies per a terrenys accidentats, els cotxes de pista per a curses a alta velocitat i els camions per a maniobres d’estil lliure. Els avenços en materials, com la fibra de carboni i l’alumini, van permetre fabricar cotxes més lleugers i duradors. Paral·lelament, les millores en la tecnologia de bateries recarregables i motors elèctrics van mantenir viva la competència amb els models de combustió, fent-los més accessibles per a un públic jove. Durant aquest període, es van establir competicions organitzades i clubs de cotxes RC a tot el món, fent que aquesta activitat passés de ser un joc a una disciplina esportiva. Fins a l’actualitat, els cotxes de radiocontrol han continuat evolucionant, impulsats per innovacions tecnològiques que han millorat la seva precisió, velocitat i seguretat. Una de les innovacions més destacades ha estat l'adopció de la tecnologia de radiofreqüència de 2,4 GHz, que ha eliminat les interferències entre dispositius i ha permès que múltiples usuaris operin en un mateix espai sense problemes. Figura 3. Buggy 1/10 4Wd WlToys (Font: Mundo Hobby) Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 5 A més, les bateries de polímer de liti (LiPo) han portat a una nova generació de vehicles elèctrics amb un alt rendiment, major capacitat de càrrega i un temps de funcionament molt superior al de les bateries tradicionals (Karcontrol, 2024). També cal remarcar que s'han introduït sistemes electrònics com els controls d'estabilitat, que ajuden a mantenir el vehicle equilibrat a altes velocitats, i telemetria en temps real, que permet als pilots professionals monitorar paràmetres com la velocitat, la temperatura del motor i l’estat de la bateria en directe. Els models de competició actuals poden arribar a velocitats molt altes, sent capaços d’assolir més de 100 km/h. Avui dia, els cotxes RC s’han convertit en molt més que una joguina. Han esdevingut una passió per a persones de totes les edats i un esport amb competicions internacionals, com la “International Federation of Model Auto Racing” (IFMAR), que organitza campionats mundials. Aquesta activitat fomenta habilitats d’enginyeria, disseny i mecànica, ja que molts aficionats modifiquen i personalitzen els seus cotxes per millorar-ne el rendiment, creant vehicles únics i adaptats a les seves preferències. Figura 4. Competició IFMAR (Font: YouTube) 2.2 Software CAD 2.2.1 Què són les tecnologies CAD? Les tecnologies CAD (Disseny Assistit per Ordinador, per les seves sigles en anglès "Computer-Aided Design") engloben un conjunt d’eines informàtiques que permeten la creació, modificació, anàlisi i optimització de dissenys digitals. Aquestes eines s'han convertit en essencials en camps com l’enginyeria, l’arquitectura, el disseny industrial i l’automoció, ja que permeten desenvolupar projectes amb un nivell de precisió i complexitat que seria difícil d’assolir amb mètodes tradicionals. Els programes CAD ofereixen la creació de representacions visuals i detallades de productes en dues o tres dimensions (2D i 3D), facilitant als dissenyadors i enginyers el desenvolupament de models detallats que poden ser manipulats, visualitzats i analitzats des de diferents perspectives. Aquesta capacitat de simulació és especialment útil per detectar problemes i fer ajustos abans de fabricar físicament un prototip, estalviant temps i recursos monetaris. Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 6 En un principi, els programes CAD es limitaven a entorns bidimensionals, que eren útils principalment per crear plànols, però amb el temps, van aparèixer les aplicacions en 3D, que permeten modelar formes i estructures amb gran detall. Aquest avenç ha fet possible que dissenyadors i enginyers puguin previsualitzar el comportament físic i estructural dels seus dissenys en condicions reals, gràcies a la integració amb altres eines de simulació i anàlisi. Una característica important de les tecnologies CAD modernes és la possibilitat d’integració amb altres sistemes com el CAE (Computer-Aided Engineering) i el CAM (Computer-Aided Manufacturing), que faciliten el pas directe del disseny a la fabricació. Això permet una major eficiència en el procés de producció, ja que es poden generar instruccions de fabricació automàticament, basades en el model CAD, per a màquines de control numèric (CNC) o impressores 3D sense haver de crear tants prototips (Dassault Systèmes, 2024). 2.2.2 Història CAD L’evolució del CAD es remunta als anys seixanta, quan van sorgir els primers sistemes rudimentaris que s’han anat desenvolupant per oferir en l’actualitat, eines potents i essencials per a sectors com l’automoció, l’arquitectura, l’enginyeria i el disseny industrial. Els primers sistemes CAD van aparèixer a principis dels anys seixanta, desenvolupats inicialment per a ús militar i per a indústries de gran precisió. Un dels primers programes CAD va ser el "Sketchpad", creat per Ivan Sutherland el 1963, considerat el primer sistema gràfic interactiu amb capacitats de dibuix per ordinador. Sketchpad va permetre als usuaris dibuixar formes senzilles directament en una pantalla i es va convertir en la base conceptual de futurs programes CAD, ja que introduïa elements com la interacció amb el punter i la modificació de formes directament a la pantalla. Durant els anys setanta, empreses com General Motors i Lockheed Martin van començar a desenvolupar els primers sistemes CAD amb aplicacions pràctiques per al disseny d’automòbils i avions. Aquests sistemes inicials eren bidimensionals (2D) i s’utilitzaven per crear plànols tècnics, principalment en les indústries de l'enginyeria mecànica i el disseny arquitectònic. Les eines CAD d’aquella època requerien un maquinari sofisticat i car, per la qual cosa el seu ús estava limitat a grans corporacions. Un exemple d’aquests programes pioners és el "DAC-1" (Design Augmented by Computers), desenvolupat per General Motors per millorar el disseny d’automòbils (Autodesk, 2024). Figura 5. Operari utilitzant DAC-1 (Font: Cal Gran) Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 7 Als anys vuitanta, el CAD va fer un salt significatiu amb la introducció de programes que podien modelar en tres dimensions (3D). Un dels més influents va ser AutoCAD, llançat per Autodesk el 1982. AutoCAD va augmentar l’accés al CAD, ja que funcionava en ordinadors personals, eliminant la necessitat de maquinari exclusiu i fent que el CAD fos accessible a empreses petites i professionals autònoms. Durant els anys vuitanta, altres programes, com CATIA de Dassault Systèmes, es van especialitzar en el disseny 3D per a indústries complexes com l’aeronàutica, i això va permetre crear models detallats d'avions i vehicles. Els anys noranta van ser una època de gran expansió en la funcionalitat dels programes CAD, amb la introducció de funcions com la parametrització i el modelatge sòlid, que permetien als dissenyadors definir relacions geomètriques entre elements del model. Això va donar lloc a programes com Pro/ENGINEER (avui PTC Creo), que introduïa la parametrització com a manera de dissenyar amb major flexibilitat. Altres programes, com SolidWorks, que es va llançar a mitjans dels 90, van popularitzar el modelatge sòlid per a una àmplia gamma d'usuaris i aplicacions, gràcies a una interfície fàcil d'utilitzar i un cost assequible (Shapr3D, 2024). En els darrers anys, les tecnologies CAD han evolucionat cap a entorns virtuals que integren el disseny amb altres eines d’anàlisi i fabricació. Avui dia, programes com Siemens NX i CATIA no només permeten modelar en 3D, sinó que també ofereixen eines avançades de simulació, com ara l’anàlisi d’esforços, la simulació de comportaments aerodinàmics i tèrmics, i la integració amb sistemes CAM (Manufactura Assistida per Ordinador) per agilitzar la producció. A més, l’arribada de plataformes de col·laboració al núvol, com Fusion 360 d’Autodesk, ha revolucionat la manera com es treballa amb el CAD. Ara els equips de disseny poden col·laborar en temps real des de diferents ubicacions, revisant i modificant dissenys conjuntament. Aquestes noves funcionalitats faciliten una major flexibilitat, cosa que permet que el disseny i l’enginyeria siguin processos més àgils i col·laboratius. 2.2.3 L’elecció de CATIA V5 R21 En el marc d’aquest treball de fi de grau, la selecció del programari de disseny idoni és crucial per garantir una experiència de modelatge robusta i precisa que permeti assolir els objectius del projecte. Després de valorar diverses opcions, s’ha triat CATIA V5 R21 com l’eina principal per dur a terme el disseny del prototip de cotxe de radiocontrol per diverses raons tècniques i pràctiques. CATIA V5 R21 és una versió molt estable i àmpliament utilitzada dins de l’enginyeria automotriu i l’aeronàutica. Aquesta versió ofereix un conjunt de funcionalitats que s’adapten perfectament als requisits d’aquest projecte, especialment pel que fa al modelatge paramètric i al disseny en tres dimensions (3D). A més, CATIA és conegut pel seu alt rendiment a l’hora de gestionar models de gran complexitat, una capacitat fonamental quan es treballa amb projectes amb molts components, com és el cas d’un vehicle de radiocontrol. A més, CATIA V5 R21 ofereix àmplies opcions per exportar models a formats que són compatibles amb impressores 3D. Com que aquest projecte implica la fabricació del prototip amb impressió 3D, la compatibilitat amb formats com STL facilita la transició del model digital a la producció física, permetent així una integració entre el disseny i la fabricació. Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 8 Finalment, la selecció de CATIA V5 R21 també es basa en l’experiència prèvia amb el programari durant la carrera i la familiaritat amb el seu entorn de treball. Aquesta versió proporciona un equilibri ideal entre potència, estabilitat i flexibilitat, essent una eina de confiança per desenvolupar un projecte complet i ambiciosament detallat com aquest. 2.3 Impressió 3D 2.3.1 Origen La història de la impressió 3D es remunta al 1976, quan es va inventar la impressora d'injecció de tinta. Al llarg de les darreres dècades, hi ha hagut una gran varietat d'aplicacions de la tecnologia d'impressió 3D que s'han desenvolupat a través de diverses indústries. La primera sol·licitud de patent per a un dispositiu d'impressió en 3 dimensions va tenir lloc al Japó, el 1981. Presentada pel Dr. Hideo Kodama de l'Institut Municipal de Recerca Industrial, a Nagoya, el seu projecte va ser abandonat a causa del pressupost limitat i per no aconseguir que els articles publicats aixequessin prou interès. Alhora, a la dècada dels vuitanta, un equip francès d'enginyers, Alain Le Méhauté, Olivier de Witte i Jean-Claude André, es van interessar per la tecnologia de fabricació mitjançant solidificació de resines fotosensibles curades amb llum UV. El projecte va ser presentat al Centre Nacional de Recerca Científica de França (CNRS), però finalment no es va aprovar, degut, entre altres coses, a l'aparent manca d'àrees d'aplicació. Tot i que va presentar una sol·licitud de patent el 1984, la manca de fons els va fer abandonar el projecte. Però no és fins a l’any 1984 que tot va canviar després que Charles Hull, el cofundador de 3D Systems, inventes l’estereolitografia, un procés d’impressió que permet que un Objecte en 3D es creï a partir de dades digitals. Es fa servir la tecnologia per crear un model 3D a partir d'una imatge i permet que els usuaris provin un disseny abans que s'inverteixi en la fabricació del model definitiu (Impresoras3D, 2024). 2.3.2 Què és i com funciona la impressió 3D? Es coneix com a impressió 3D al procés de creació d’objectes mitjançant la deposició de capes de material fos les unes sobre les altres i tècnicament s’anomena com a fabricació additiva (AM), contràriament als mètodes sostractius com podrien ser el fressat CNC. Existeixen dos tipus significatius d’impressores 3D: • Impressores 3D FDM (Fused Deposition Modeling) Una impressora 3D FDM no és més que una màquina de control numèric formada per 4 motors i un extrusor. 3 d’ells s’encarregaran de controlar cada un dels 3 eixos, x y i z i l’últim motor s’encarregarà de fer moure el filament a través de l’extrusor encarregat de fondre el material. El seu funcionament es basa en la deposició de manera precisa de material en capes successives. • Impressores 3D de fotopolimerització Aquest segon tipus d’impressores, són dispositius que fabriquen objectes tridimensionals mitjançant la solidificació selectiva d’una resina líquida fotosensible, Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 9 utilitzant llum ultraviolada (UV) o una altra font de llum. Aquest procés es basa en la fotopolimerització, una reacció química que transforma la resina líquida en material sòlid quan s'exposa a la llum. D’altra banda, aquest tipus d’impressora requereix un postprocessat de la peça final molt més elevat que en les impressores FDM, ja que la resina no surt completament seca de la màquina i requereix un assecatge posterior a ser imprès. El procediment d’impressió, en termes generals, és bastant senzill i sempre comença a partir d’un model 3D. Mitjançant un programari específic, aquest objecte 3D digital es talla en centenars de fines capes per posteriorment exportar-lo en un format que la impressora pugui llegir, que acostuma a ser format g-code, un tipus d’arxiu on surten totes les posicions on s’ha de dipositar material. Quan la impressora llegeix aquest arxiu, analitza cada capa i sap exactament la quantitat i la ubicació exacta de tot el material que ha d’extrudir o solidificar. A simple vista, pot semblar un procés molt senzill, però profunditzant en aquest món, es pot observar la gran complexitat que suposa generar g-codes amb els paràmetres correctes que millor s’adaptin a la impressora, ja que existeixen infinitats d’aquests paràmetres que podem controlar. 2.3.3 Pros i contres en vers altres mètodes de fabricació Quan es parla de la impressió 3D referent a la creació de peces, aquesta ofereix un nombre considerable d'avantatges, el més important dels quals és la capacitat de produir dissenys molt complexos que serien impossibles de fer d'una altra manera. Un altre avantatge significatiu de la impressió 3D és la velocitat. Tot i que la impressió 3D d'un objecte pot portar hores o fins i tot dies sencers, continua sent molt més ràpida que els mètodes de producció habituals, com ara l'emmotllament per injecció, ja que s’elimina tots els processos referents a la fabricació del motlle i es brinda la possibilitat de crear un sol model o prototip, cosa que utilitzant altres processos com la injecció plàstica és pràcticament impensable. La creació de prototips és un dels usos professionals més populars de la impressió 3D, ja que es pot fer a la mateixa empresa amb poc o cap temps d'espera, i les iteracions del disseny es poden implementar i imprimir en el moment. Aquesta tecnologia també ofereix moltes possibilitats de materials d’impressió en 3D. Tot i això, la impressió 3D també té les seves limitacions i hi ha aspectes en els quals no pot competir enfront de sistemes de fabricació tradicionals. El principal inconvenient a què s’enfronta és la rigidesa de les peces obtingudes, ja que al ser capes dipositades una damunt de l’altra, en aplicar una força en el sentit d’aquestes capes, és fàcil fer que es separin i trencar el model. Tot i que existeixen molts tipus de materials amb què es pot imprimir, un altre gran desavantatge és la temperatura màxima que aquests poden suportar, acostumant a fondre tots per sota dels 100 ºC. Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 10 2.3.4 Característiques tècniques de la impressió 3D Les característiques tècniques de la impressió 3D FDM (Modelatge per Dipòsit Fos) es relacionen amb els paràmetres i funcions que defineixen el procés i el resultat final de les peces fabricades. Abans d’enumerar aquests principals paràmetres, es mostra una imatge detallada dels principals components d’una impressora FDM comuna. Figura 6. Parts impressora Ender 3 Pro (Font: Google imatges) Una vegada coneguts els principals components de la impressora, s’enumeren diferents aspectes tècnics d’importància: a) Materials utilitzats • Filaments termoplàstics: PLA, ABS, PETG, TPU (flexible), nylon, policarbonat (PC), materials compostos (amb fibra de carboni, fusta, metall, etc.). • Diàmetres comuns dels filaments: 1,75 mm i 2,85 mm. b) Resolució d’impressió • Habitualment entre 0,05 mm (50 micres) i 0,3 mm (300 micres). • Depèn del diàmetre de la tovera i de les capacitats de la impressora. − Diàmetre de la tovera: Generalment, 0,4 mm, tot i que es pot ajustar per millorar la resolució o augmentar la velocitat. • Precisió dimensional: Normalment entre ±0,1 mm i ±0,2 mm. Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 17 2Placa control 4.2.7 Substituir la placa de control original de la impressora per una actualitzada pot portar diversos beneficis a l’hora d’imprimir, ja que la placa és la responsable de gestionar el moviment dels motors pas a pas, el capçal d’extrusió, la temperatura i altres funcions de la impressora. • Placa 4.2.2: És el model més bàsic i estàndard que ve de fàbrica en la gran majoria de les impressores Ender 3 pro. • Placa 4.2.7: És una actualització oficial de Creality que ofereix millores respecte al model anterior incloent components més moderns i funcionalitats avançades. En la taula 1 es mostren les principals diferències entre aquests dos models en qüestió: CARACTERÍSTICA 4.2.2 4.2.7 Divers de motors A4988 o HR4988 (sorollosos) TMC2208/TMC2225 (silenciosos) Soroll de funcionament Sorollós Molt silenciós Firmware Marlin 1.x Marlin 2.x Compatibilitat amb extensions Limitada Alta (Bl-touch, sensor de filament...) Gestió tèrmica Bàsica Millorada Actualització Estàndard Millores de precisió i seguretat Taula 1. Característiques placa mare 4.2.2 i 4.2.7 Ender 3 pro (Font: Creality) Figura 11. Placa 4.2.7 Ender 3 pro (Font: Google imatges) 3Braços estabilitzadors Els braços estabilitzadors són components addicionals que s’instal·len per reforçar i estabilitzar l’estructura del marc en forma de “V” de la impressora connectant la part superior de l’eix Z amb la base de la impressora mitjançant barres d’alumini rígides. L’objectiu principal d’aquesta millora és reduir la vibració i millorar la rigidesa de Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 18 l’estructura, punt crucial per obtenir una major precisió en les impressions, especialment en treballar amb objectes alts o amb velocitats elevades. 4Pantalla tàctil Interfície digital que substitueix el control tradicional amb botons i rodetes utilitzats per gestionar la impressora, oferint una manera més intuïtiva i ràpida d’interactuar amb la impressora. D’altra banda, aquest tipus de pantalles també ofereixen altres opcions avançades com la visualització prèvia del model 3D, una configuració ràpida dels paràmetres d’impressió i accés a fitxers emmagatzemats a targetes SD o USB. Figura 13. Pantalla tàctil Ender 3 pro (Font pròpia) 5Anivellador automàtic Bl-Touch Un anivellador automàtic Bl-touch és un sensor de nivell especialment dissenyat per ajustar automàticament el nivell del llit d’impressió. Funciona mesurant la distància entre el capçal d’impressió i la superfície del llit, utilitzant un pin retràctil que fa contacte físic amb el llit. Figura 12. Braços estabilitzadors Ender 3 pro (Font pròpia) Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 19 Aquest sensor permet que la impressora ajusti de forma automàtica el moviment de l’eix Z durant la impressió, compensant les irregularitats o desnivells de la superfície d’impressió reduint les impressions fallides per mala adhesió o nivellatge incorrecte fent estalviar molt temps i material. Figura 14. Bl-Touch Ender 3 pro (Font pròpia) 6Extrusor personalitzat Una altra de les millores que he incorporat a la impressora és la substitució de l’extrusor de sèrie per un altre personalitzat que millorar la refrigeració de la tovera i redueix el pes. Cal destacar que aquest extrusor està completament imprès amb la mateixa impressora. Figura 15. Extrusor custom Ender 3 pro (Font pròpia) 7Tensador corretja eix X Component dissenyat per ajustar la tensió de la corretja que mou el capçal d’impressió al llarg de l’eix X. Aquest tensador permet ajustar fàcilment la tensió de la corretja amb una roda, assegurant que aquesta tingui la tensió adequada per al funcionament òptim de la impressora en tot moment. Figura 16. Tensador corretja X Ender 3 pro (Font pròpia) Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 20 8Molles llit reforçades Les molles de llit reforçades són una actualització del sistema d’anivellament del llit d’impressió creada per mantenir-lo en una posició més estable i evitar que es desajusti amb el temps. Aquestes molles reforçades acostumen a estar fabricades de materials d’alta qualitat i tenen una major força de compressió, cosa que ajuda a mantenir el nivell del llit més temps i amb més estabilitat. Figura 17. Molles llit reforçades Ender 3 pro (Font pròpia) 9Sistema passador filament metàl·lic Component que es col·loca al llarg del recorregut del filament per guiar-lo de manera més suau i eficaç cap a l’extrusor o el capçal d’impressió, substituint el passador original de plàstic i augmentant la durabilitat d’aquest. Aquests passadors són compatibles amb més tipus de filaments, ja que permeten ajustar la tensió aplicada al fil, indispensable per imprimir amb materials com el TPU i evitar embossaments. Figura 18. Passador filament metàl·lic Ender 3 pro (Font pròpia) Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 21 10Tub Bowden d’alta resistència tèrmica És una millora del tub que connecta l’extrusor amb el capçal d’impressió o tovera. Aquest tipus de tubs estan fabricats amb materials de qualitat superior, generalment de PTFE (politetrafluoroetilè) amb unes propietats millorades de resistència a temperatures altes i una fricció reduïda. Aquests tubs són capaços de suportar temperatures de fins a 260-300 ºC sense deformar-se ni degradar-se, fent-los ideals per a treballar amb una àmplia gamma de materials. Figura 19. Tub bowden alta resistència tèrmica Ender 3 pro (Font pròpia) 11Modificació posició font d’alimentació Modificació de la posició original lateral de la font d’alimentació situant-la a la plataforma de la impressora millorant l’estabilitat d’aquesta i reduint vibracions. Aquesta modificació és necessària per instal·lar les barres estabilitzadores vistes anteriorment. Figura 20. Posició font d’alimentació Ender 3 pro (Font pròpia) 12Centradors barres roscades Z Components que s’instal·len per alinear i estabilitzar les barres roscades que mouen l’eix Z, limitant les oscil·lacions o vibracions que poden afectar de manera negativa a les impressions. Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 22 Aquests centradors asseguren que les barres roscades girin alineades amb el seu eix, reduint l’estrès i millorant la precisió del moviment. Figura 21.Posició font d’alimentació Ender 3 pro (Font pròpia) 3.1.4 Paràmetres d’impressió utilitzats A continuació, es mostra una taula amb els principals paràmetres utilitzats per imprimir el prototip, remarcant que tan sols s’han especificat aquells de més importància, ja que existeixen una infinitat d’opcions programables. Tot i això, s’ha decidit recollir una petita mostra (taula 2) d’aquells més representatius a l’hora d’obtenir uns bons resultats d’impressió. PARÀMETRE EXPLICACIÓ VALOR Velocitat d’impressió Velocitat a la qual es realitza la impressió afectant la velocitat de farciment, de paret, superior i inferior i de desplaçament. 50 mm/s Temperatura extrusor Temperatura a la qual l’extrusor s’estableix per fondre el material. 200 ºC Temperatura placa d’impressió Temperatura de la placa d’impressió que permet que el material extruït romangui unit a la base. 40 ºC Diàmetre tovera Diàmetre per on sortirà el filament fos. A menor diàmetre més qualitat d’impressió però més temps d’impressió. 0.2 mm Altura de capa Altura de capa en mm. Els valors més alts produeixen impressions més ràpides i viceversa. Paràmetre lligat directament al diàmetre de la tovera. 0.12 mm Ample de línia Ample d’una única línia. Generalment, l’ample de cada línia s’hauria de correspondre amb l’ample de la tovera, tot i això, reduir lleugerament aquest valor pot produir impressions de més qualitat. 0.24 mm Grossor paret Grossor de les parets en direcció horitzontal. Aquest valor dividit per l’ample de la línia de paret defineix el nombre de parets. 0.72 mm Recompte línies de paret Nombre de parets. En calcular-lo pel gruix de les parets, aquest valor s’arrodoneix a un nombre enter. 3 Capes superiors Nombre de capes superiors. Al calcular-lo pel grossor superior, aquest valor s’arrodoneix a un nombre enter. 5 Capes inferiors Nombre de capes inferiors. Al calcular-lo pel grossor inferior, aquest valor s’arrodoneix a un número enter. 5 Percentatge superposició del forro Ajusta la quantitat de superposició entre les parets i els extrems de les línies centrals del farciment. 10 % Densitat de farciment Ajusta la densitat del farciment de la impressió. 30 % – 50 % Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 23 Patró de farciment Patró que segueix el material per dins de la peça. Depenent del patró utilitzat es pot aconseguir peces més rígides utilitzant la menor quantitat de material. Giroide Suport Genera estructures per suportar peces del model amb voladissos. Sense aquestes estructures, les peces es trencarien durant la impressió. 5 % Tipus d’adherència a la placa d’impressió Opcions diferents que ajuden a millorar tant l’extrusió com l’adherència a la placa d’impressió. “Falda” Distancia de retracció Retrau el filament quan la tovera es mou sobre una àrea no impresa. 7.5 mm Velocitat de retracció Velocitat a la qual es produeix el moviment de retracció de material. 35 mm/s Salt en Z Sempre que es realitza una retracció, l’extrusor puja una certa distància per crear una folgança entre la tovera i la placa d’impressió per evitar que aquesta impacti amb la impressió. 0.24 mm Taula 2. Paràmetres impressió utilitzats (Font pròpia) 3.1.5 Electrònica utilitzada 3.1.5.1 Bateria LiPo Les bateries LiPo (polímer de liti) són un tipus de bateries recarregables que utilitzen un electròlit en forma de polímer gelificat en lloc d’un líquid. Aquesta configuració permet que aquest tipus de bateries siguin més lleugeres i es puguin fabricar en diverses formes i mides, fent-les ideals per a dispositius electrònics portàtils, drons, vehicles de radiocontrol i altres aplicacions on el pes i l’espai són factors crítics. Aquest tipus de bateries compten amb uns determinats aspectes tècnics que varien segons la funció a desenvolupar de la bateria essent els més importants: • Amperatge − Capacitat de la bateria expressada en 𝑚𝐴ℎ i que indica quanta energia pot emmagatzemar. Aquest valor ajuda a determinar l’autonomia de la bateria. Si es consumeix menys amperatge, la bateria durarà més temps i viceversa. • Descàrrega màxima − Aquest tipus de bateries compten amb una tassa de descàrrega especificada com un valor 𝐶 (constant de descàrrega). Aquest valor indica la quantitat màxima de corrent que la bateria pot subministrar de forma segura sense sobreescalfar-se ni danyar-se. Per calcular l’amperatge màxim que pot subministrar la bateria es multiplica la capacitat (en 𝐴) pel valor 𝐶. • Cèl·lules de la bateria − Aquest nombre fa referència al nombre de cèl·lules individuals que formen la bateria. Cada cèl·lula és una unitat individual que genera voltatge i emmagatzema energia. Aquestes cèl·lules es poden connectar en sèrie, en paral·lel o en una combinació d’ambdues per aconseguir diferents nivells de voltatge i capacitat. − Cada una d’aquestes cèl·lules té un voltatge nominal de 3.7𝑉, significant que en funció del nombre de cèl·lules connectades, el voltatge total de la bateria augmentarà. El voltatge màxim quan es completa la càrrega és de 4.2𝑉 i 3.0𝑉 quan està completament descarregada (sobrepassar aquests valors podria ocasionar greus danys a la bateria i fins i tot risc d’incendi) Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 24 Característiques tècniques de la bateria utilitzada (taula 3): CARACTERÍSTICA VALOR Amperatge 2200 𝑚𝐴ℎ Nombre de cèl·lules 2𝑆 Voltatge 7.4𝑉 Tassa de descàrrega 40𝐶 Taula 3. Característiques tècniques bateria utilitzada (Font pròpia) Figura 22. Bateria Lipo 2200mAh 2S 7.4V 40C (Font pròpia) Coneixent aquests valors, es pot calcular la descàrrega màxima que la bateria pot proporcionar multiplicant la tassa de descàrrega 𝐶 per la capacitat de la bateria 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑎𝑡 tal com mostra l’Eq.(1). 𝐷𝑒𝑠𝑐à𝑟𝑟𝑒𝑔𝑎 𝑚à𝑥𝑖𝑚𝑎 = 𝐶 ∙ 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑎𝑡 (𝐴𝑚𝑝𝑒𝑟𝑠) Eq. (1) 𝐷𝑒𝑠𝑐à𝑟𝑟𝑒𝑔𝑎 𝑚à𝑥𝑖𝑚𝑎 = 40𝐶 ∙2.2𝐴 = 88𝐴 Per tant, aquesta bateria és capaç de subministrar de forma segura fins a 88𝐴 sense cap mena de risc. Aquest valor va directament lligat al controlador i al motor. 3.1.5.2 Motor “brushless” Tipus de motor sense les escombretes tradicionals que presenten els motors de corrent continu convencionals. En comptes d’utilitzar escombretes per transmetre corrent al rotor, aquest tipus de motors usen components electrònics avançats per controlar el flux d’energia, fent-los més eficients, silenciosos i fiables reduint els manteniments, reduint també la generació de calor i permetent aconseguir velocitats i precisions més elevades. Igual que en els motors DC, els seus principals components són: − Rotor: part mòbil del motor, que inclou imants permanents. Aquest és l’element que gira per generar moviment. − Estator: part fixa, formada per enrotllament del filferro de coure (bobines) que creen camps magnètics canviants quan se subministra corrent. La característica més rellevant d’aquest tipus de motor per entendre el seu funcionament són els anomenats 𝐾𝑉, que indiquen el nombre de revolucions per minut (𝑅𝑃𝑀) que el motor pot assolir per cada volt aplicat. A un nombre més elevat de 𝐾𝑉, s’aconseguiran Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 25 velocitats majors, però a un nombre més petit, s’aconseguirà un par major, per tant, és vital triar bé aquest paràmetre. Característiques tècniques del motor utilitzat (taula 4): CARACTERÍSTICA VALOR KV (RPM x volt) 5200𝐾𝑉 Taula 4. Característiques tècniques motor brushless utilitzat (Font pròpia) Figura 23. Motor brushless 5200KV (Font pròpia) Amb aquesta característica es pot calcular les revolucions màximes a les quals podrà arribar el motor utilitzat en aquest projecte multiplicant les revolucions per volt 𝐾𝑉 pel voltatge aplicat 𝑉, tal com es mostra en l’Eq.(2). 𝑅𝑃𝑀 = 𝐾𝑉 ∙𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑡𝑔𝑒 Eq. (2) 𝑅𝑃𝑀 = 5200∙7.4𝑉 = 38.480 𝑅𝑃𝑀 Com es pot observar, el valor de 𝑅𝑃𝑀 és exageradament gran per a l’aplicació necessària. Per tant, serà estrictament necessari crear un engranatge reductor per tal d’assegurar que tots els elements de la direcció aguantaran els esforços sotmesos. D’altra banda, cal aclarir que des del controlador o emissor es permet limitar aquesta velocitat a mode de percentatge i, en conseqüència, aquest valor no és el valor real al qual el motor funcionarà una vegada muntat en el prototip. 3.1.5.3 Controlador ESC (Electronic Speed Controler) Dispositiu electrònic que s’utilitza per gestionar el funcionament del motor brushless. És un component essencial a l’hora de controlar un cotxe de radiocontrol, ja que s’encarrega d’aspectes com la velocitat, direcció i fins i tot el fre motor. Aquests components són del tipus trifàsics, amb tres cables de corrent fent servir sensors per determinar la posició del rotor. Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 26 Com a principals funcions dels controladors ESC es troben: • Control de velocitat Regula la velocitat del motor ajustant la potència que li subministra modulant el corrent que arribat al motor amb tècniques com el PWM (modulació per amplada de pols). • Control de la direcció Permet canviar el sentit de rotació del motor, fent-ho especialment útil en vehicles elèctrics que requereixin moviments cap endavant i cap endarrere. • Sincronització amb motors brushless Com els motors brushless no tenen escombretes per canviar la polaritat del camp magnètic del rotor, l’ESC s’encarrega d’aquesta tasca utilitzant un sistema electrònic avançat per seqüenciar les bobines (fases) de l’estator correctament. • Protecció del sistema Aquest tipus de controladors incorporen sistemes de protecció contra el sobreescalfament, tall automàtic si la bateria cau per sota d’un cert voltatge i limitació de corrent per evitar sobrecàrregues. • Frenada activa L’ESC permeten frenar motors activament per mantenir el control del vehicle radiocontrol en situacions com podria ser un descens o maniobres brusques millorant el control i la precisió del vehicle. L’ESC utilitzat en aquest projecte és del tipus programable, és a dir, permet ajustar paràmetres com la resposta de l’accelerador, el fre, la direcció i la velocitat màxima, fent del prototip, un model molt més personalitzable i adaptable als diferents tipus de situacions donades. Característiques tècniques de l’ESC usat (taula 5): CARACTERÍSTICA VALOR Corrent màxima 120𝐴 Voltatge suportat 2𝑆−4𝑆 BEC output 5𝑉/3𝐴 Taula 5. Característiques tècniques ESC utilitzat (Font pròpia) Figura 24. Controlador ESC 120A (Font pròpia) Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 33 Cargol amb cap M3 x12mm Cargol de cap gruixut de 3mm, de mètrica M3 amb una llargada de 12mm de color negre Femella M3 Femella de mètrica 3 colors negre i blanc Taula 10. Fixacions utilitzades en el projecte (Font pròpia) Utilitzant els elements de fixació anteriors, s’han usat diversos mètodes d’unió per assegurar un correcte assemblatge i donar-li la màxima rigidesa al prototip final. • Unions cargol femella o Femella introduïda en ranura La forma d’unió més utilitzada en tot el prototip, que consisteix a introduir la femella dins d’una ranura en la qual queda completament bloquejada i permet cargolar el cargol per la part de sota obtenint una unió forta, duradora i desmuntable per possibles futures modificacions o reemplaçaments de peces trencades. Figura 34. Femella introduïda en ranura (Font pròpia) o Femella encunyada dins la peça Tipus d’unió similar a l’anterior, però en aquest cas, les femelles, en lloc de col·locar-se dins d’una ranura, s’encunya la forma exacta de la femella a la peça i s’introdueix dins d’aquest forat quedant completament Figura 32. Cargol amb cap M3x12mm (Font pròpia) Figura 33.Femella M3 (Font pròpia) Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 34 bloquejada. Mètode utilitzat quan la peça a unir no té prou espessor per introduir una ranura en ell. Figura 35. Femella encunyada dins la peça (Font pròpia) o Cargol directe a peça En aquest tipus d’unions s’elimina completament la femella i el cargol es cargola directament a la peça. S’obtenen unions més febles, però permeten crear ròtules i introduir cargols en llocs on la tipologia del disseny fa impossible introduir una femella. • Unions adhesivades Un altre mètode d’unir dues peces diferents és utilitzar un component adhesiu. Es poden fer servir diferents tipus de pagaments, tot i que en el cas d’aquest projecte, s’ha decidit utilitzar cola bicomponent per assegurar una unió forta i que no es desenganxarà amb la utilització. Aquest tipus d’unions són molt fortes tot i que el desavantatge amb la que compten enfront dels altres mètodes d’unió és que no és possible el seu desmuntatge. Aquest tipus d’unions s’han fet servir únicament en les llantes, per unir els radis al cos cilíndric de la llanta amb l’objectiu de reduir els suports necessaris per a la seva impressió i, per tant, reduir costos de producció. Figura 36. Cargol directe a peça en la boixa (Font pròpia) Figura 37. Cargol directe a peça servomotor (Font pròpia) Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 35 • Unions ranurades Consisteix a dissenyar una forma que encaixa amb una altra per tal d’assegurar el muntatge dels dos components en el lloc adient, reforçant alhora la unió que s’obté utilitzant únicament cargols i femelles. Aquest tipus d’unió s’ha fet servir per unir la plataforma principal del prototip. 3.1.6.2 Rodaments Els rodaments són components mecànics dissenyats per reduir el fregament entre dues peces en moviment relatiu, generalment una en rotació i l’altra en repòs o en moviments lineals. Per tant, un component indispensable per l’elaboració del prototip, ja que si no els eixos de les rodes acabarien soldats per culpa de la temperatura que produiria el rodament entre eix i suports deixant el vehicle completament inservible. S’ha decidit utilitzar una mesura de rodaments habitual en cotxes d’escala 1:10 adaptant el disseny a aquests elements per facilitar la seva compra. En la imatge 39 es pot observar com es mesuren les dimensions dels rodaments i seguidament, en la taula 11 es mostra el tipus i mesures dels rodaments fets servir en el projecte. ID x OD x W Figura 39. Nomenclatura mesures rodaments (Font: Google imatges) Figura 38. Unió ranurada (Font pròpia) Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 36 TIPUS IMATGE Rodament de boles 12x18x4 Rodament de boles 8x12x3.5 Taula 11. Rodaments utilitzats en el projecte (Font pròpia) 3.1.6.3 Volanderes Les volanderes són elements circulars de la mateixa mètrica que els cargols, que s’utilitzen per distribuir la força que el cargol aplica a la peça una vegada cargolat per tal d’assegurar la integritat dels components que aquest està subjectant. TIPUS DESCRIPCIÓ IMATGE Volandera M3 Volandera per mètrica 3 per tal de distribuir l’àrea d’acció a determinats cargols Taula 12. Volanderes utilitzades en el projecte (Font pròpia) Figura 40. Rodament de boles 12x18x4 (Font pròpia) Figura 41. Rodament de boles 8x12x3.5 (Font pròpia) Figura 42. Volandera M3 (Font pròpia) Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 37 3.1.7 Materials utilitzats en la impressió 3D En el món de la impressió 3D s’utilitzen una gran varietat de materials en funció de la impressora utilitzada, el tipus de projecte, així com les propietats requerides. Aquests materials poden ser plàstics, ceràmiques o compostos tot i que en aquest projecte, se centrarà en els plàstics, ja que són els que han estat usats per elaborar el cotxe RC. En la taula 13 es recullen els principals materials plàstics fet servir en el món de la impressió 3D. TIPUS ORIGEN PROPIETATS APLICACIONS PLA (Àcid Polilàctic) Biològic (Blat de moro, canya de sucre). ✓ Fàcil d’imprimir. ✓ Biodegradable i més sostenible. ✓ Fragilitat moderada i baixa resistència a la calor. Prototips i models decoratius sense una alta demanda mecànica. ABS (Acrilonitril Butadiè Estirè) Derivat del petroli. ✓ Alta resistència mecànica i tèrmica. ✓ Requereix una base calefactable i un entorn de temperatura molt controlar per evitar deformacions a l’hora d’imprimir. Recipients, suports i prototips mecànics. PETG (Polietilè Tereftalat amb Glicol) Derivat del petroli. ✓ Bona resistència mecànica i química. ✓ Resistent a l’aigua i als impactes. ✓ Més fàcil d’imprimir que l’ABS. Recipients, suports i prototips mecànics. TPU (Poliuretà Termoplàstic) Derivat del petroli. ✓ Flexible i elàstic. ✓ Alta resistència a l’abrasió. Peces elàstiques, carcasses i rodes o neumàtics Taula 13. Principals materials impressió 3D (Font: Formlabs) En aquest cas, per imprimir els prototips d’aquest projecte s’ha utilitzat tant PLA, com TPU per les raons següents: El PLA és un material innovador que combina la facilitat d’impressió amb la sostenibilitat. El seu origen renovable i la seva biodegradabilitat el converteixen en una alternativa més respectuosa amb el medi ambient que qualsevol de les altres opcions. Tot i les seves limitacions en resistència mecànica, durant el disseny del cotxe RC s’ha procurat crear peces amb formes capaces de suportar tots els esforços als quals estaran sotmesos. D’altra banda, s’ha decidit utilitzar TPU per al disseny dels elements de la suspensió i para-xocs per tal de reduir al màxim l’ús de components comercials i, alhora, donar-li al vehicle un millor comportament dinàmic. Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 38 Aquest tipus de materials es classifiquen per la seva flexibilitat segons l’escala de duresa Shore, sistema de mesura utilitzat per determinar la dures o flexibilitat d’un material, especialment en materials com elastòmers, plàstics i gomes. La duresa Shore es mesura utilitzant un dispositiu anomenat duròmetre, que pressiona una agulla o punt sobre la superfície del material. La resistència a aquesta pressió determina el valor Shore en una escala del 0 al 100. Materials utilitzats en el prototip: • Elegoo ràpid PLA + El principal material triat per imprimir el prototip final del cotxe RC ha estat del tipus PLA+ de la marca Elegoo, un tipus PLA més resistent que la gran majoria per així obtenir els beneficis de la fàcil impressió d’aquest tipus de material amb unes bones prestacions mecàniques capaces de suportar tots els esforços a qué estarà sotmès. D’altra banda, aquest material té un cost major i, per aquest motiu, s’ha reservat exclusivament per imprimir peces prèviament testejades per al prototip final. En la taula 14 es recullen les propietats més destacades d’aquest material subministrades pel fabricant: PROPIETAT VALOR Densitat 1,20𝑔/𝑐𝑚3 Resistència a l’impacte 3,85𝑘𝑗/𝑚2 Temperatura d’impressió 200−230º𝐶 Índex de fusió 8.2 𝑔/10𝑚𝑖𝑛 Temperatura deformació tèrmica 53º𝐶 (0,45𝑀𝑃𝑎) Temperatura base d’impressió 40−60º𝐶 Resistència de tracció ≥60𝑀𝑃𝑎 Ventilador 100% Velocitat d’impressió 30−600𝑚𝑚/𝑠 Figura 43. Taula duresa Shore (Google imatges) Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 39 Allargament al trencament (x-y) 19% Longitud de línia (1,75𝑚𝑚) 330−335𝑚 Plataforma recomanada 𝑃𝐸𝐼/𝑉𝑖𝑑𝑟𝑒/𝐹𝑖𝑏𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑣𝑖𝑑𝑟𝑒 Força de flexió 80𝑀𝑃𝑎 Duresa Rockwell 88 Mòdul de flexió 2680𝑀𝑃𝑎 Taula 14. Característiques tècniques PLA+ Elegoo (Font: Elegoo) • PLA groc fluor i gris (llantes) Per a la impressió de les llantes, s’ha decidit utilitzar un PLA de color diferent de la resta del prototip (groc fluor i gris), amb la finalitat que es diferenciï més i alhora donar-li un toc més realista al cotxe. El PLA utilitzat correspon a un PLA més bàsic que l’anterior PLA+, però amb unes prestacions capaces de suportar els esforços als quals estaran sotmesos. En la taula 15 es recullen les propietats més destacades d’aquests materials subministrades pel fabricant: PROPIETAT VALOR Densitat 1,24𝑔/𝑐𝑚3 Resistència a l’impacte 2𝑘𝑗/𝑚2 Temperatura d’impressió 190−210º𝐶 Índex de fusió 6𝑔/10𝑚𝑖𝑛 Temperatura deformació tèrmica 50º𝐶 (0,45𝑀𝑃𝑎) Temperatura base d’impressió 20−50º𝐶 Resistència de tracció ≥50𝑀𝑃𝑎 Ventilador 100% Velocitat d’impressió 30−50𝑚𝑚/𝑠 Allargament al trencament (x-y) 7% Longitud de línia (1,75𝑚𝑚) 330−335𝑚 Plataforma recomanada 𝑃𝐸𝐼/𝑉𝑖𝑑𝑟𝑒/𝐹𝑖𝑏𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑣𝑖𝑑𝑟𝑒 Força de flexió 65𝑀𝑃𝑎 Duresa Rockwell 80 Mòdul de flexió 2500𝑀𝑃𝑎 Taula 15. Característiques tècniques PLA groc fluor i gris (Font: Filament2Print) • PLA blau (Prototip 1) Realitzar un projecte d’aquest tipus requereix fer moltes proves per ajustar toleràncies, provar diferents formes i dissenys per aconseguir el que millor s’adapti així com realitzar repetides reiteracions en el disseny. Per aquest motiu, s’ha decidit utilitzar un tipus de PLA de marca blanca, més barat que els anteriors, per dur a terme totes aquestes proves i aconseguir reduir al mínim el preu del projecte. Donat que aquest PLA és de marca blanca, el fabricant no subministra cap taula de propietats ni prestacions. Tot i això, com s’ha reservat la seva utilització per imprimir peces de prova, no tenir les prestacions no suposa cap inconvenient, ja que els components impresos amb aquest plàstic no s’utilitzaran per al prototip final i, per tant, no estaran sotmesos a cap esforç. Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 40 • GEEETECH TPU hardness 95A Com s’ha pogut veure anteriorment, el TPU és un tipus de material per impressió 3D flexible que s’ha utilitzat per imprimir els elements de la suspensió i el para-xocs frontal. En aquest cas el material usat ha estat de la marca Geeetech amb una duresa hardness de 95A per tal de facilitar la impressió de tots els components flexibles, ja que quant més flexible és el material, més complicat és d’imprimir a causa de la seva alta mal·leabilitat. En la taula 16 es recullen les propietats més destacades d’aquest material subministrades pel fabricant: PROPIETAT VALOR Mòdul de tracció: 26,0 𝑀𝑃𝑎 Resistència a la tracció a la deformació: 8,6 𝑀𝑃𝑎 Resistència a la tracció a la ruptura: 39,0 𝑀𝑃𝑎 Allargament a la deformació: 55,0% Allargament a la ruptura: 580,0% Resistència a la flexió: 4,3 𝑀𝑃𝑎 Mòdul de flexió: 78,7 𝑀𝑃𝑎 Resistència a l'impacte Izod amb entalla (a 23 °C): 34,4 𝑘𝐽/𝑚² Duresa: 95 (𝑆ℎ𝑜𝑟𝑒 𝐴) Taula 16. Característiques tècniques TPU groc fluor Geeetech (Font: Geeetech) • 3DFILS TPU 60D (neumàtics) Per imprimir els neumàtics s’ha optat per utilitzar un TPU de color negre de la reconeguda marca 3DFils per tal de donar-li un major realisme al model. En aquest cas, la duresa triada ha estat de 60D, ja que és un valor que permetrà una fàcil impressió, així com un funcionament adient per imprimir neumàtics funcionals. En la taula 17 es recullen les propietats més destacades d’aquest material subministrades pel fabricant: PROPIETAT VALOR Mòdul de tracció: 25,0 𝑀𝑃𝑎 Resistència a la tracció a la ruptura: 40,0 𝑀𝑃𝑎 Allargament a la ruptura: 500,0% Resistència a la flexió: 4 𝑀𝑃𝑎 Mòdul de flexió: 70 𝑀𝑃𝑎 Duresa: 95 (𝑆ℎ𝑜𝑟𝑒 𝐴) Taula 17. Característiques tècniques TPU negre 3DFILS (Font: 3DFILS) Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 41 3.2 Disseny 3.2.1 Plataforma La plataforma és la base sobre la qual es muntarà tota la resta d’elements. Per aquest motiu, ha de tenir una superfície prou gran per poder incorporar-hi tots els elements electrònics i mecànics. Donades a les limitacions de les dimensions d’impressió, aquesta ha estat dissenyada amb dues parts diferents, que posteriorment s’uniran fent servir dues parets que li donaran la rigidesa necessària per suportar tots els esforços als quals estarà sotmès. A la part posterior es pot observar com s’han definit una sèrie de forats o canals que serviran més endavant per allotjar els cargols del sistema de transmissió. La forma d’aquesta plataforma s’ha dissenyat seguint les formes comunes dels cotxes RC d’escala 1:10. Concretament, basant-se en el model anomenat anteriorment “Tamiya TT-01/TT-02”. Figura 44. Plataforma cotxe radiocontrol (Font pròpia) 3.2.2 Sistema de transmissió El sistema de transmissió consta d’un eix sobre el qual es munta la corona, dues parets que suporten l’eix i una plataforma auxiliar que suporta aquestes dues parets. Tots aquests components s’uneixen a la base principal mitjançant dues unions flexibles, cosa que permetent que tot el sistema de transmissió es pugui moure independentment de la base principal i així funcionar com a suspensió. Figura 45. Sistema transmissió cotxe radiocontrol (Font pròpia) Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 42 3.2.2.1 Càlcul engranatges Un dels grans reptes d’aquest projecte ha estat dissenyar un sistema que transmeti el moviment de rotació del motor a l’eix de les rodes posteriors. Després d’estudiar diferents tipus d’engranatges, s’ha decidit utilitzar engranatges de tipus helicoidals dobles, ja que d’aquesta manera s’assegura que una vegada estiguin engranats la corona amb el pinyó, aquests no se separaran i no perdran el contacte en cap moment, garantint un correcte funcionament i evitant possibles danys ocasionats per un desplaçament dels engranatges. Figura 46. Pinyó i corona cotxe radiocontrol (Font pròpia) A l’hora de dissenyar els engranatges, s’ha tingut en compte tant les limitacions de la impressora, com la relació de reducció que s’ha d’aconseguir. Per obtenir una relació de reducció, la corona ha de ser major que el pinyó. Per tant, partint de les dimensions màximes que pot tenir la corona per no causar interferències amb la resta d’elements i la distància aproximada que es disposa entre pinyó i corona, s’han dissenyat aquests dos components. Dades inicials: Diàmetre exterior màxim de la corona: 𝐷𝑒,𝑐𝑜𝑟𝑜𝑛𝑎 =40𝑚𝑚 Distància aproximada entre eixos: 𝑎 ≈ 26𝑚𝑚 Mòdul (valor utilitzat per engranatges d’aquesta tipologia): 𝑚 = 1𝑚𝑚 Càlculs teòrics: VARIABLE FÓRMULA PINYÓ CORONA UNITATS Modul (𝑀) = 𝑀 1 1 mm Nombre de Dents (𝑍) = 𝑍 17 40 dents Angle d’helicoidalitat (α) = α 20 20 ° Mòdul aparent (𝑀𝑎) = 𝑀𝑟𝐶𝑜𝑠𝛼 ⁄ Eq. (3) 1,06 1,06 mm Diàmetre primitiu (𝐷𝑝) = 𝑀∙𝑍 Eq. (4) 17 40 mm Diàmetre exterior (𝐷𝑒) = 𝐷𝑝+(2∙𝑀𝑟) Eq. (5) 19 42 mm Altura de la dent (𝐻) = 2,167∙𝑀𝑟 Eq. (6) 2,17 2,17 mm Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 49 Hores totals d'impressió proto 1 77,23 HORES Grams material utilitzat proto 1 268 GRAMS Peces impreses proto 1 37 PECES Taula 21. Recompte total hores d’impressió, grams material utilitzat i peces impreses prototip 1 (Font pròpia) PROTOTIP 2 PEÇA (PROTO 2) HORES PES (g) QUANTITAT FARCIMENT (%) Base 1 12,5 40 1 30 Base 2 16 48 1 30 Paret 5 27 2 20 Base transmissió 2,25 11 1 20 Fixacions flexible 0,5 1,5 4 20 Paret transmissió l 2,82 8 1 20 Paret transmissió r 2,83 8 2 20 Eix 5,25 12 1 50 Reforç 0,78 2 1 50 Pinyó 1 3 1 50 Corona 3,07 6 1 50 Braç direcció 0,27 1,5 2 30 Accessori servo 0,6 2 1 20 Boixes 1,67 6 4 30 Eix davanter 0,73 1 4 50 Para-xocs 5,53 29 1 10 Flexible 0,43 4 2 100 Suspensió front inferior 1,65 16 1 100 Neumàtic 3 26 4 20 Suport para-xocs 1 2 2 30 Suspensió front superior 0,62 6 2 100 Caixa direcció 9,68 25 2 30 Topall eix frontal 0,12 0,5 4 100 Radis llanta v2 4 40 4 50 Taula 22. Hores, pes, quantitat i emplenament peces impreses prototip 2 (Font pròpia) Ajust servo 0,83 2 2 5 Parets 6,25 20 2 5 Braç direcció 0,25 3 2 5 Eix frontal 0,9 2 2 5 Topall eix frontal 0,08 1 2 5 Llanta v1 3,5 15 1 5 Base 1 10 30 1 5 Taula 20. Hores, pes, quantitat i emplenament peces impreses prototip 1 (Font pròpia) Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 50 Hores totals d'impressió proto 2 141,19 HORES Grams material utilitzat proto 2 660 GRAMS Peces impreses proto 2 53 PEÇES Taula 23. Recompte total hores d’impressió, grams material utilitzat i peces impreses prototip 2 (Font pròpia) Amb els dos prototips completament impresos, es fa el recompte total d’hores d’impressió d’aquest projecte obtenint: Hores totals d'impressió 218,42 HORES Grams material utilitzat 928 GRAMS Peces impreses 90 PEÇES Taula 24. Recompte total hores d’impressió, grams material utilitzat i peces impreses prototip 1 i 2 (Font pròpia) 3.4 Muntatge i disseny final Una vegada amb el prototip final completament imprès, es procedeix al muntatge del cotxe RC, procés que estarà dividit en quatre parts, les quals seran muntatge de la plataforma, de la transmissió, del sistema de direcció i assemblatge final. Per muntar el model sencer és necessària una sèrie d’elements els quals es numeren en la llista 25: COMPONENT QUANTITAT Cargol pla M3x8mm 46 Cargol pla M3x12mm 12 Femella M3 34 Volandera M3 24 Rodament boles 12x18x4 2 Rodament boles 8x12x3.5 4 Taula 25. Components necessaris per al muntatge del cotxe RC (Font pròpia) Primerament, es procedeix a ajuntar les dues peces que formen el terra del prototip i s’uneixen per mitjà de les dues parets. En aquest procés s’utilitzen 12 cargols M3x8mm i 12 femelles. Figura 55. Plataforma cotxe RC (Font pròpia) Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 51 Una vegada amb la plataforma muntada, es procedeix amb el muntatge del sistema de transmissió. Pel muntatge d’aquest component es necessita 10 cargols M3x8mm, 2 cargols M3x12mm, 8 femelles M3, 4 volanderes M3 i 2 rodaments de boles 12x18x4 i el motor brushless. Primerament, es muntaran les aletes grogues (suspensió TPU) a la base del sistema de transmissió i seguidament, s’hi acollen les parets laterals prèviament amb els rodaments muntats i incloent l’eix. Finalment, es munta el motor i s’hi engreixen els rodaments fent servir greix de silicona incolor per a garantir un funcionament suau i reduir les friccions que es puguin generar. Figura 56. Sistema transmissió cotxe RC (Font pròpia) El següent pas és muntar tot el sistema de direcció, que inclou tant el sistema de suspensió frontal com les boixes o manegues. Per al muntatge d’aquest subsistema complet es necessita 16 cargols M3x8mm, 8 volanderes M3, 4 rodaments de boles 8x12x3.5 i el servomotor. Figura 57. Sistema de direcció i suspensió frontal cotxe RC (Font pròpia) Una vegada amb el sistema de direcció complet, se li acolla el para-xocs frontal. Per aquest pas es necessita 4 cargols M3x8mm, 2 cargols M3x12mm, 4 volanderes i 2 femelles. Figura 58. Sistema de direcció + para-xocs cotxe RC (Font pròpia) Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 52 Seguidament, s’uneixen tots aquests subsistemes a la plataforma general i es munten les quatre rodes. Per fer-ho, es necessita 8 cargols M3x12mm, 4 cargols M3x8mm, 12 femelles M3 i 8 volanderes. Figura 59. Plataforma amb tots els subsistemes del cotxe RC, servomotor i motor brushless (Font pròpia) Finalment, ja es poden instal·lar els sistemes electrònics restants com són el controlador ESC, el receptor i el giroscopi. Per fer-ho, s’utilitza cinta adhesiva de doble cara, ja que permet una bona subjecció sense necessitat de forada més la plataforma amb el ris de debilitar-la. Per subjectar la bateria es fa servir cinta “velcro” que permet la subjecció i el fàcil desmuntatge per carregar-la. Tots els components electrònics s’han situat estratègicament per tal d’equilibrar correctament el pes al llarg de tota la plataforma per obtenir una conducció millor i més uniforme en totes les condicions. Figura 60. Cotxe RC complet (Font pròpia) Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 53 4. ANÀLISI IMPACTE MEDIAMBIENTAL En els darrers anys, la preocupació pel medi ambient, així com la de reduir els factors contaminants, ha anat prenent un paper cada vegada més representatiu tant en el món industrial com en l’acadèmic. Aquest apartat té com a objectiu principal analitzar i quantificar la repercussió mediambiental lligada al desenvolupament del projecte proposat, avaluant tant els aspectes positius com els negatius. El primer factor a tenir en compte per realitzar l’anàlisi de l’impacte mediambiental és el consum d’energia, ja que durant tot el procés s’han utilitzat recursos elèctrics connectats a la xarxa, com l’ordinador, la llum i la impressora 3D. Un altre factor important és la producció de dispositius, ja que per poder dissenyar i fabricar el prototip de cotxe radiocontrol es necessita la fabricació d’un ordinador amb una bona targeta gràfica per a poder realitzar tots els dissenys amb el programari pertinent. La fabricació d’aquests dispositius o components electrònics comporten un impacte ambiental que sesten des de l’extracció dels recursos naturals fins al procés de fabricació de tots els components. Per realitzar els prototips presentats conjuntament amb el projecte ha estat necessari utilitzar tant PLA com TPU, per això també serà un factor important a tenir en compte per realitzar l’anàlisi. Cal destacar que el PLA (Àcid Polilàctic) és reconegut per ser un bioplàstic biodegradable derivat de fonts renovables com el midó de blat de moro o la canya de sucre, reduint significativament l’impacte ambiental en comparació amb altres plàstics derivats del petroli, ja que es degrada en condicions industrials de compostatge. No obstant això, l’altre material emprat en la impressió dels prototips ha estat el TPU (Poliuretà Termoplàstic), el qual presenta uns majors desafiaments mediambientals, pel fet que és un derivat del petroli i té una menor biodegradabilitat. Per aquest motiu, per minimitzar l’impacte causat per aquest tipus de material és fonamental fer un bon reciclatge i optimitzar-ne l’ús, reduint al màxim el nombre de peces impreses en aquest material. Addicionalment, també existeixen els residus electrònics dels components emprats en el prototip final com són el motor brushless, el servomotor, el giroscopi, el receptor, l’emissor, el controlador ESC i sobretot la bateria LiPo. És per aquest motiu que fer una correcta gestió dels residus un cop hagi finalitzat la seva vida útil pren un paper molt significatiu en la conservació del medi ambient. Per finalitzar, cal tenir en compte els desplaçaments que ha suposat fer les tutories de seguiment amb el tutor del TFG degut a que s’han generat emissions de CO2 en el procés. Per calcular la petjada de carboni provocada per aquests desplaçaments es procedeix amb el càlcul de la fórmula 18: 𝑘𝑔 𝐶𝑂2= 2,3𝑘𝑔𝐶𝑂2 𝑙·(220 𝑘𝑚·5,6 𝑙 100𝑘𝑚) = 𝟐𝟖,𝟑𝟑 𝒌𝒈𝑪𝑶𝟐 Eq. (18) Els valors emprats en aquesta fórmula surten dels kilòmetres total recorreguts des de l’habitatge de l’estudiant (Lleida), fins a la UPC EPSEM (Manresa) que han estat un total de 220km, el consum mitjà del vehicle utilitzat (5,6 𝑙 100𝑘𝑚) i finalment, l’equivalent en kg de 𝐶𝑂2 a un litre de gasolina (2,3𝑘𝑔𝐶𝑂2 𝑙). Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 54 D’altra banda, els ordinadors tenen un consum elèctric que genera emissions a causa de la potència consumida que en el cas de l’ordinador usat, equival e 150 W. Un ordinador consumeix un equivalent entre 52 i 234 grams de 𝐶𝑂2 per hora (TheCircularLab, 2016) considerant una potència d’entre 80 i 360 W. per tant es procedeix amb el càlcul de la fórmula 19: 𝑔𝐶𝑂2 ℎ=360𝑊−150𝑊 360𝑊−80𝑊=236𝑔𝐶𝑂2 ℎ−𝑥𝑔𝐶𝑂2 ℎ 236𝑔𝐶𝑂2 ℎ−52𝑔𝐶𝑂2 ℎ=98𝑔𝐶𝑂2 ℎ Eq. (19) Amb el consum de 𝑔𝐶𝑂2 ℎ de l’ordinador utilitzat calculat, cal convertir aquestes unitats en 𝑘𝑔 𝐶𝑂2 tenint en compte que el total d’hores que aquest ha estat en funcionament han set de 600h. Aquestes hores superen les assignades per crèdit, ja que el TFG d’Automoció correspon a 12 ECTS i cada 1 ECTS correspon a 25 hores de treball, donant un total de 300. Això ha estat degut a la gran càrrega de feina que ha suposat fer el disseny del prototip, així com l’elaboració de tots els plànols i documentació necessària per presentar. 𝑘𝑔 𝐶𝑂2=98𝑔𝐶𝑂2 ℎ·600ℎ·1𝑘𝑔 1000𝑔=𝟓𝟖,𝟖 𝒌𝒈𝑪𝑶𝟐 Eq. (20) En últim lloc, per poder quantificar l’impacte mediambiental total del projecte cal calcular la quantitat d’electricitat consumida durant el procés d’impressió 3D per així, posteriorment, obtenir els 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝐶𝑂2 equivalents. El consum mitjà de la impressora Creality Ender 3 Pro és de 0,25𝑘𝑊ℎ (segons el fabricant). 𝐸𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 = 𝑃𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 ·ℎ𝑓𝑢𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡 Eq. (21) On ℎ𝑓𝑢𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡 =218,42 com s’ha pogut estudiar anteriorment en la taula 24. 𝐸𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 = 0,25·218,42 =54,605 𝑘𝑊ℎ Durant la realització de totes les impressions d’aquest projecte s’ha consumit un total de 54,605 𝑘𝑊ℎ d’energia elèctrica. L’últim factor d’emissió de l’energia elèctrica publicat per la Gencat correspon: 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟𝐶𝑂22022 =270𝑔𝐶𝑂2 𝑘𝑊ℎ·1𝑘𝑔 1000𝑔 Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 55 Per tant, aplicant la fórmula 22, es pot calcular els 𝑘𝑔𝐶𝑂2 generats en tot el procés d’impressió dut a terme al llarg de tot el projecte: 𝐸𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑠𝐶𝑂2𝑡𝑜𝑡 = 𝐸𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 ·𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟𝐶𝑂22022 Eq. (22) 𝐸𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑠𝐶𝑂2𝑡𝑜𝑡 =54,605·270·1 1000 =𝟏𝟒,𝟕𝟒 𝒌𝒈𝑪𝑶𝟐 Una vegada obtinguts tots aquests valors, en la taula 26 es fa el recompte total de l’impacte mediambiental que ha suposat l’elaboració del projecte: Hores invertides (h) Kilòmetres (km) Consum (L/100km) gCO2/h gCO2/kWh kg CO2 gasolina Consum total (kgCO2) Portàtil 600 - - 98 - - 58,8 Desplaçament - 220 5,6 - 2,3 28,33 Impressora 218,42 - - - 270 - 14,74 TOTAL 101,87 Taula 26. Càlcul de kgCO2 totals del projecte (Font pròpia) El valor total de l’impacte mediambiental d’aquest projecte correspon a la suma de les fórmules 18, 20 i 22, donant un resultat de 𝟏𝟎𝟏,𝟖𝟕 𝒌𝒈𝑪𝑶𝟐. Avaluar i reduir l’impacte mediambiental d’un projecte d’aquest tipus no és només una responsabilitat ètica, sinó una oportunitat per millorar l’eficiència i la sostenibilitat del disseny. Per aquest motiu, en aquest treball s’han emprat materials biodegradables i s’han dut a terme processos de fabricació optimitzats. Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 56 CONCLUSIONS L’elaboració d’aquest projecte ha permès experimentar de primera mà el procés complet de disseny i fabricació d’un cotxe RC a escala 1:10, utilitzant noves tecnologies com la impressió 3D. Gràcies a l’ús del disseny assistit amb ordinador (CAD), concretament al programa CATIA V5, s’ha pogut passar d’una idea inicial a un prototip completament funcional, demostrant, doncs, la viabilitat tècnica d’un projecte d’aquesta tipologia a nivell no professional. Un dels principals objectius d’aquest treball era dissenyar i crear un cotxe RC utilitzant el menor nombre possible de peces comercials. Una vegada amb el prototip funcionant, es pot concloure que s’ha assolit satisfactòriament aquest objectiu. Tan sols s’han usat cargols i femelles per obtenir unions fortes i duradores permetent un desmuntatge de tots els components per futures millores o reparacions de peces malmeses. D’altra banda, també s’han fet servir rodaments per garantir un correcte funcionament dels eixos de les rodes, components sense els quals és completament inviable obtenir un correcte funcionament. Finalment, s’han utilitzat tots els components electrònics per tal d’aconseguir que el cotxe funcioni. Al llarg de l’elaboració del projecte, s’han anat identificant diversos punts o aspectes de millora per considerar-se en futurs projectes, especialment en l’àmbit de l’electrònica i els sistemes de transmissió. En aquest cas, el motor brushless utilitzat per moure les rodes és un motor el qual pot obtenir velocitats extremadament altes (38000 rpm), però, d’altra banda, compta amb un par molt reduït, cosa que afecta negativament el funcionament del vehicle en situacions de pujades de desnivell o arrossegar pes. Per aquest motiu, una futura millora seria la d’incorporar un motor del qual es puguin aprofitar totes les seves prestacions i no faci falta limitar la seva velocitat. Una altra possible modificació o millora seria la de substituir tant els engranatges com els eixos impresos amb PLA per altres mecanitzats en material metàl·lic, per a obtenir velocitats de funcionament més elevades sense patir risc de ruptura. D’altra banda, també s’ha pogut observar com l’aplicació de processos de postproducció, com el llimat de superfícies, és imprescindible en determinades situacions per tal de garantir unions perfectes amb toleràncies ben ajustades. Finalment, elaborar aquest TFG ha estat una oportunitat per posar en pràctica els coneixements adquirits durant el grau, incloent-hi conceptes de mecànica, electrònica i disseny al mateix temps que s’ha fet una visió crítica i resolutiva davant els diferents inconvenients que han anat sorgint durant el procés de fabricació real. Així, aquest projecte no s’ha limitat a representar un èxit acadèmic, sinó que també ha resultat ser una experiència enriquidora per al desenvolupament personal i professional enfocat al món del disseny 3D. Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 57 COST DEL PROJECTE Per elaborar un cost total detallat del projecte és necessari tenir en compte diversos aspectes, ja que el preu final està determinat per molts factors, com són els materials d’impressió, els components o el software i hardware utilitzats. Primerament, és necessari analitzar els costos d’enginyeria i, per fer-ho, s’ha consultat les taules salarials en el BOE núm. 179, de 27 de juliol de 2022, pàgines 107437 a 107500 (Real Decreto-ley 13/2022), estipula que el sou d’un enginyer se situa en 35 euros l’hora. COST ENGINYERIA DESCRIPCIÓ HORES (h) €/h TOTAL (€) Disseny 250 35 8.750 Redacció projecte 230 35 7.350 Muntatge prototip 20 35 1.750 Plànols 100 35 3.500 TOTAL 21.350 Taula 27. Cost enginyeria del projecte (Font pròpia) Com es pot observar en la taula 25, el cost referit a aspectes d’enginyeria (salaris), el total correspon a 21.350 €. Per continuar elaborant el pressupost total, es té en compte el preu dels equips utilitzats així com tots els components necessaris en la fabricació del prototip. COST SOFTWARE, EQUIP, COMPONENTS I MATERIAL COMPONENT TIPUS PREU (€) Ordinador Equip 2.000 Catia v5 R21 Software 20.000 Ultimaker Cura Software Gratuït Microsoft office Software 105 Bateria Serc 2200mAh Component 30,59 Motor Droyuke 5200KV Component 22,4 ESC M-H 120A Component 14,75 Servomotor MG996R Component 5,58 Emissor + receptor Flysky FS-IA6 Component 59,84 Giroscopi RB Component 19,99 Cargol pla M3x8mm Component 2,89 Cargol pla M3x12mm Component 2,32 Cargol cap gruixut M3x8mm Component 3,27 Cargol cap gruixut M3x12mm Component 4,13 Femelles M3 Component 3,4 Rodament boles 12x18x4 Component 3,55 Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 58 Rodament boles 8x12x3.5 Component 4,09 PLA + Elegoo ràpic Material 24,99 PLA marca blanca Material 14,99 TPU Geeetech 95A Material 19,61 TPU 3DFILS 60D Material 24,99 Impressora Creality Ender 3 pro Equip 199,99 Dobles eixos Z Equip 16,61 Placa control 4.2.7 Equip 34,99 Braços estabilitzadors Equip 13,12 Pantalla tàctil Equip 35,82 Anivellador Bl-Touch Equip 29,16 Tensador corretja X Equip 5,05 Molles llit reforçades Equip 3,61 Passador filament metàl·lic Equip 6,97 Tub Bowden alta resistència Equip 2,78 Centradors barres roscades Equip 4,23 TOTAL 22.719 Taula 28. Cost materials, equip i components (Font pròpia) El cost total del programari, equip utilitzat amb les seves millores, tots els components emprats en l’elaboració del projecte i els materials d’impressió 3D ha estat de 22.719 €. Finalment, és necessari també calcular el cost generat pel consum d’electricitat de la impressora 3D. CONSUM ENERGIA Nº PLANO PEÇA HORES (h) CONSUM (kWh) 1 Base 1 22,5 5,625 2 Base 2 26 6,5 3 Paret L 11,25 2,8125 3 Paret R 11,25 2,8125 4 Base transmissió 4,75 1,1875 5 Fixacions flexible 2 0,5 6 Suspensió posterior 8,86 2,215 7 Paret transmissió L 5,82 1,455 8 Paret transmissió R 13,66 3,415 9 Eix 7,25 1,8125 10 Reforç 1,98 0,495 11 Pinyó 1,9 0,475 12 Corona 9,07 2,2675 13 Braç direcció L 0,52 0,13 13 Braç direcció R 0,52 0,13 14 Accessori servo motor 2,26 0,565 15 Boixa R 4,84 1,21 15 Boixa L 4,84 1,21 Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 65 Figura 66. Render llanta + neumàtic (Font pròpia) Figura 67. Render plataforma (Font pròpia) Disseny i fabricació d’un cotxe teledirigit a escala 1:10 66 Plànols