Disseny d'una càmera analògica utilitzant la tecnologia d'impressió 3D

Document: Memòria Disseny d'una càmera analògica utilitzant la tecnologia d'impressió 3D Autor: Pau Casanovas Ambròs Director: Miguel Angel Sanchez Soto Titulació: Grau en Enginyeria de disseny Industrial i desenvolupament de producte Resum Aquest projecte té com a objectiu dissenyar i fabricar una càmera analògica funcional mitjançant tecnologies d’impressió 3D, combinant tradició fotogràfica amb innovació tecnològica. El treball inclou totes les etapes de desenvolupament, des de la investigació inicial fins al testatge i validació del prototip. Els mètodes utilitzats inclouen el disseny CAD amb SolidWorks la fabricació de components mitjançant impressió 3D amb tecnologies FDM i MSLA. Per validar la funcionalitat, s’han dut a terme proves pràctiques que han permès identificar limitacions i implementar ajustos per optimitzar el prototip. Els resultats obtinguts mostren que la combinació de materials com el PLA i la resina transparent permet fabricar una càmera analògica operativa. No obstant això, s’han detectat àrees de millora, com el perfeccionament del mecanisme d’obturació i l’estanquitat del compartiment de pel·lícula. Les conclusions destaquen la viabilitat d’aquest tipus de projectes per a aplicacions educatives i creatives, alhora que subratllen la necessitat de futures iteracions per millorar la robustesa i la qualitat de les fotografies produïdes. Aquest projecte posa de manifest el potencial de la fabricació additiva per reinventar tecnologies tradicionals com la fotografia analògica. Abstract This project aims to design and manufacture a functional analog camera using 3D printing technologies, combining photographic tradition with technological innovation. The work includes all stages of development, from initial research to prototype testing and validation. The methods used include CAD design with SolidWorks and the manufacture of components using 3D printing with FDM and MSLA technologies. To validate the functionality, practical tests have been carried out that have allowed to identify limitations and implement adjustments to optimize the prototype. The results obtained show that the combination of materials such as PLA and transparent resin allows to manufacture an operational analog camera. However, areas for improvement have been detected, such as the refinement of the shutter mechanism and the tightness of the film compartment. The conclusions highlight the viability of this type of project for educational and creative applications, while underlining the need for future iterations to improve the robustness and quality of the photographs produced. This project highlights the potential of additive manufacturing to reinvent traditional technologies such as analog photography. Disseny d'una càmera analògica utilitzant la tecnologia d'impressió 3D 2 Índex RESUM ................................................................................................................................................... 1 ABSTRACT .............................................................................................................................................. 1 ÍNDEX .................................................................................................................................................... 2 ÍNDEX DE TAULES ................................................................................................................................... 4 ÍNDEX DE FIGURES ................................................................................................................................. 4 1. INTRODUCCIÓ .................................................................................................................................... 1 1.1. OBJECTE ......................................................................................................................................... 1 1.2. ABAST ........................................................................................................................................... 1 1.3. REQUISITS ...................................................................................................................................... 2 a. Especificacions del disseny de la càmera .................................................................................... 2 b. Requeriments de fabricació per a la impressió en 3D: ................................................................ 2 c. Restriccions de desenvolupament: .............................................................................................. 3 1.4. JUSTIFICACIÓ ................................................................................................................................... 3 2. ANTECEDENTS I REVISIÓ DE L’ESTAT DE LA QÜESTIÓ ......................................................................... 4 2.1. ESTUDI DE LA CÀMERA ANALÒGICA. HISTÒRIA I CARACTERÍSTIQUES CLAU. ................................................... 4 2.2. ESTAT ACTUAL DE LA TECNOLOGIA D’IMPRESSIÓ 3D: LIMITACIONS I APLICACIONS AL DISSENY DE PRODUCTES FUNCIONALS. ................................................................................................................................................ 7 a. Fabricació additiva ...................................................................................................................... 7 b. Indagació impressió de lents ..................................................................................................... 11 2.3. PROJECTES SIMILARS ....................................................................................................................... 12 a. Càmeres impreses en 3D ................................................................................................................ 12 b. Altres càmeres ............................................................................................................................... 14 3. METODOLOGIA ................................................................................................................................ 16 3.1. PLANIFICACIÓ ................................................................................................................................ 16 3.2. TÈCNIQUES UTILITZADES .................................................................................................................. 17 3.3. VALIDACIÓ DEL PROJECTE ................................................................................................................. 18 4. PLANTEJAMENT I DECISIÓ SOBRE SOLUCIONS ALTERNATIVES ..................................................... 19 4.1. OPCIONS EXPLORADES .................................................................................................................... 19 a. Opcions per al cos de la càmera .................................................................................................... 19 b. Opcions per a les lents: .................................................................................................................. 19 4.2. SELECCIÓ DE LA SOLUCIÓ FINAL ......................................................................................................... 20 a. Solució final per al cos i mecanismes de la càmera: ...................................................................... 20 b. Limitacions tecnològiques .............................................................................................................. 20 c. Limitacions de software de disseny i optimització ......................................................................... 21 d. Limitacions materials ..................................................................................................................... 21 e. Limitacions econòmiques i de temps ............................................................................................. 23 3 5. DESENVOLUPAMENT DE LA SOLUCIÓ O LES SOLUCIONS ESCOLLIDES ............................................... 24 5.1. DISSENY DE LA CÀMERA ................................................................................................................... 24 a. Objectius del disseny: ..................................................................................................................... 24 b. Inspiracions .................................................................................................................................... 24 c. Característiques principals del disseny: .......................................................................................... 25 5.2. PRIMERES VERSIONS ....................................................................................................................... 25 a. Reptes a superar ............................................................................................................................ 25 b. Mecanisme de l'obturador ............................................................................................................. 25 b. Creació de les lents ........................................................................................................................ 29 c. Sistema de carrega del carret ........................................................................................................ 30 d. Cos de la càmera ............................................................................................................................ 31 e. Primera versió ................................................................................................................................ 31 5.3. PROTOTIPATGE .............................................................................................................................. 37 a. Selecció de materials ..................................................................................................................... 37 b. Material fet servir .......................................................................................................................... 37 c. Paràmetres d’impressió.................................................................................................................. 39 d. Errors detectats després de la primera impressió .......................................................................... 40 e. Correcció dels errors detectats ....................................................................................................... 40 5.4. PROVA DEL PROTOTIP ..................................................................................................................... 43 a. Objectius: ....................................................................................................................................... 43 b. Resultats: ....................................................................................................................................... 43 c. Conclusions del testatge: ................................................................................................................ 45 6. RESUM DEL PRESSUPOST I/O ESTUDI DE VIABILITAT ECONÒMICA ................................................... 46 6.1. COSTOS DE MATERIALS .................................................................................................................... 46 a. Materials utilitzats en la tecnologia FDM: ..................................................................................... 46 b. Materials per a les lents (MSLA): ................................................................................................... 46 c. Postprocessament de resina: ......................................................................................................... 46 6.2. COSTOS D’ÚS DE MAQUINÀRIA .......................................................................................................... 47 a. Impressió FDM (cos de la càmera): ................................................................................................ 47 b. Impressió MSLA(lents): .................................................................................................................. 47 c. Altres costos associats:................................................................................................................... 47 6.3. COSTOS DE MÀ D’OBRA ................................................................................................................... 48 6.4. COSTOS TOTALS ............................................................................................................................. 48 6.5. ESTUDI DE VIABILITAT ECONÒMICA .................................................................................................... 49 7. ANÀLISI I VALORACIÓ DE LES IMPLICACIONS AMBIENTALS I SOCIALS .............................................. 50 7.1. IMPLICACIONS AMBIENTALS .............................................................................................................. 50 a. Ús del PLA com a material principal per a FDM ............................................................................. 50 b. Ús de resines MSLA (High Clear d’Anycubic) .................................................................................. 50 c. Conclusions ambientals: ................................................................................................................. 51 7.2. IMPLICACIONS SOCIALS .................................................................................................................... 51 a. El projecte com a eina educativa ................................................................................................... 51 b. Impacte cultural i artístic ............................................................................................................... 52 c. Conclusions sobre les implicacions ambientals i socials ................................................................. 52 8. CONCLUSIONS .................................................................................................................................. 53 Disseny d'una càmera analògica utilitzant la tecnologia d'impressió 3D 4 8.1. RESUM DELS OBJECTIUS ASSOLITS ...................................................................................................... 53 8.2. REFLEXIÓ SOBRE EL PROCÉS I DIFICULTATS TROBADES ............................................................................. 53 a. Fases inicials de disseny i prototipatge: ......................................................................................... 53 b. Limitacions tècniques i materials: .................................................................................................. 54 c. Proves i validació: ........................................................................................................................... 54 d. Recomanacions per a futurs desenvolupaments ...................................................................... 54 e. Reflexió final.............................................................................................................................. 55 9. REFERÈNCIES .................................................................................................................................... 56 ANNEX 1. CÀLCUL DE LES VARIABLES D’UNA MOLLA DE TORSIÓ IMPRÈS EN 3D .................................. 59 ANNEX 2. ESTUDI DE MATERIALS PER AL PROJECTE ............................................................................. 62 ANNEX 3. DESENVOLUPAMENT DEL PROCÉS PER A LA FABRICACIÓ DE LENTS ..................................... 65 ANNEX 4. PLANOLS DEL MODEL ........................................................................................................... 70 Índex de taules TAULA 1. PAQUET D'ACTIVITATS ......................................................................................................................... 16 TAULA 2. COST DE MATERIALS ........................................................................................................................... 47 TAULA 3. COST TOTAL DE MÀ D'OBRA .................................................................................................................. 48 TAULA 4. COSTOS TOTALS ................................................................................................................................. 48 Índex de figures IL·LUSTRACIÓ 1. FUNCIONAMENT DE LA CÀMERA FOSCA DELS MANUSCRITS DE LEONARDO DA VINCI[5] ............................. 5 IL·LUSTRACIÓ 2. DIBUIXOS REALITZATS AMB L'AJUDA DE CÀMERES OBSCURES. CANALETTO: BASÍLICA DELS SANTS GIOVANNI I PAOLO, A VENÈCIA. ESBOSSOS OBTINGUTS MITJANÇANT UNA CAMBRA FOSCA. ..................................................... 5 IL·LUSTRACIÓ 3. ANUNCI DE LA PRIMERA CAMARA KODAK “QUALSEVOL POT FER SERVIR” ................................................ 6 IL·LUSTRACIÓ 4. DIAGRAMA DE FUNCIONAMENT D'UNA IMPRESSORA FDM [15] ........................................................... 8 IL·LUSTRACIÓ 5. DIAGRAMA DE FUNCIONAMENT D'UNA IMPRESSORA SLA [17]............................................................. 9 IL·LUSTRACIÓ 6. DIAGRAMA DE FUNCIONAMENT D'UNA IMPRESSORA MSLA .............................................................. 10 IL·LUSTRACIÓ 7. DIAGRAMA DE FUNCIONAMENT D'UNA IMPRESSORA SLS .................................................................. 10 IL·LUSTRACIÓ 8.DIAGRAMA DE FUNCIONAMENT D'UNA IMPRESSORA MJF .................................................................. 11 IL·LUSTRACIÓ 9. FOTOGRAFIA MODEL OPENREFLEX ................................................................................................ 13 IL·LUSTRACIÓ 10. FOTOGRAFIA MODEL EASY 35 .................................................................................................... 13 IL·LUSTRACIÓ 11. FOTOGRAFIA MODEL LEGO ZH .................................................................................................. 14 IL·LUSTRACIÓ 12. EXEMPLE DE MECANISME MÒBIL AMB CARACTERÍSTIQUES ELÀSTIQUES IMPRÈS EN FDM........................ 26 IL·LUSTRACIÓ 13. PRINCIPALS MECANISMES ELÀSTICS CANDIDATS PER A FER L'OBTURADOR ............................................ 27 IL·LUSTRACIÓ 14. TAULA DE CÀLCUL DE LES CONSTANTS DEL MOLLA .......................................................................... 27 IL·LUSTRACIÓ 15. PROPOSTA 1 ACTUADOR .......................................................................................................... 28 IL·LUSTRACIÓ 16. PROPOSTA 2 ACTUADOR .......................................................................................................... 28 IL·LUSTRACIÓ 17. LENT DISSENYADA AMB EL PROGRAMA OPTICAL RAY TRACER, A L’ESQUERRA EL DISSENY AMB EL PROGRAMA I A LA DRETA LA LENT FETA AMB SOLIDWORKS ............................................................................................... 30 5 IL·LUSTRACIÓ 18. SISTEMA DE CARREGA DEL CARRET .............................................................................................. 30 IL·LUSTRACIÓ 19. IMPRESSIÓ DEL SISTEMA DE CARREGA DEL CARRET .......................................................................... 31 IL·LUSTRACIÓ 20. MODEL CAD DEL COS DE LA CAMERA .......................................................................................... 31 IL·LUSTRACIÓ 21. ASSEMBLATGE PRIMERA VERSIÓ DE LA CÀMERA ............................................................................. 32 IL·LUSTRACIÓ 22. CAD COS .............................................................................................................................. 32 IL·LUSTRACIÓ 23. CAD BASE ACTUADOR ............................................................................................................. 32 IL·LUSTRACIÓ 24. CAD OBTURADOR ................................................................................................................... 33 IL·LUSTRACIÓ 25. CAD ACTUADOR OBTURADOR ................................................................................................... 33 IL·LUSTRACIÓ 26. CAD SUBJECTA PEL·LÍCULA ....................................................................................................... 34 IL·LUSTRACIÓ 27. CAD RODA DENTADA PAS PEL·LICULA ......................................................................................... 34 IL·LUSTRACIÓ 28. CAD COMPTADOR PEL·LÍCULA ................................................................................................... 34 IL·LUSTRACIÓ 29. CAD TAPA SUPERIOR ............................................................................................................... 35 IL·LUSTRACIÓ 30. CAD TAPA LATERAL ................................................................................................................. 35 IL·LUSTRACIÓ 31. CAD SISTEMA SUBJECCIÓ LATERAL. ............................................................................................ 35 IL·LUSTRACIÓ 32. CAD TAPA LENT ..................................................................................................................... 36 IL·LUSTRACIÓ 33. CAD SUBJECTADOR CARRET ...................................................................................................... 36 IL·LUSTRACIÓ 34. CAD TRAMPA DE LLUM ............................................................................................................ 36 IL·LUSTRACIÓ 35. BAMBULAB P1S ..................................................................................................................... 37 IL·LUSTRACIÓ 36. ANYCUBIC PHOTON MONO 4K .................................................................................................. 38 IL·LUSTRACIÓ 37. PREPARACIÓ DE LA IMPRESSIÓ FDM AL PROGRAMA LAMINADOR BAMBU STUDIO, AMB EL TEMPS I EL COST ........................................................................................................................................................... 39 IL·LUSTRACIÓ 38. PROGRAMA LAMINADOR PER A IMPRESSORA MSLA, AMB EL TEMPS D'IMPRESSIÓ A L'ESQUERRA ............ 40 IL·LUSTRACIÓ 39. CAD MODIFICAT DEL COS ........................................................................................................ 41 IL·LUSTRACIÓ 40. CAD MODIFICAT DEL SUBJECTADOR CARRET ................................................................................ 41 IL·LUSTRACIÓ 41. ASSEMBLATGE PRIMERA VERSIÓ DESPRÉS DE REVISIÓ DE LA CÀMERA. ................................................. 42 IL·LUSTRACIÓ 42. PREPARACIÓ DE LA IMPRESSIÓ FDM DESPRÉS DE MODIFICACIÓ. ....................................................... 42 IL·LUSTRACIÓ 43. RESULTAT DEL TESTATGE REALITZAT ............................................................................................ 44 1 1. Introducció 1.1. Objecte Aquest projecte busca dissenyar i desenvolupar una càmera analògica que pugui ser construïda en tecnologies de fabricació additiva. El projecte busca combinar la tradició de la fotografia analògica amb les innovacions tecnològiques actuals, oferint una alternativa assequible i pràctica tant per a entusiastes de la fotografia com per a estudiants interessats en el disseny i fabricació digital. El projecte abastarà el disseny funcional de la càmera, incloent-hi la selecció de materials, la configuració interna dels mecanismes interns per al funcionament del dispositiu, implementant solucions que aprofitin les capacitats de la fabricació additiva. Es busca demostrar que la impressió 3D pot ser una eina poderosa per ressuscitar i innovar en tecnologies tradicionals, oferint l’oportunitat d’aprendre, experimentar i crear productes personalitzats d’una manera sostenible i assequible. El resultat final serà un prototip de càmera que integri un cos principal en tecnologia d’impressió FDM i lents òptiques impreses amb MSLA o bé adquirides de fonts externes. 1.2. Abast El projecte inclourà: - Investigació del funcionament d’una càmera. - Ideació de disseny, tant estètic com funcional. - Selecció de la proposta final a desenvolupar. - Definició de quins materials s’utilitzaran per a la fabricació de cada un dels elements de la càmera, i amb quina tècnica de fabricació, dintre de les tècniques de fabricació additiva ja existents. - Definició de la pel·lícula utilitzada per la càmera. - Definició de les mides, formes i estètica de la càmera. - Elaboració de lents. - L’elaboració de prototips físics. - Elaboració de plànols. - Elaboració del pressupost del projecte. - Anàlisi de viabilitat econòmica El projecte no inclourà: - La definició de com arriba a l’usuari final la càmera. Disseny d'una càmera analògica utilitzant la tecnologia d'impressió 3D 8 Hi ha 4 tipologies principals d’impressió 3D: 1. FDM (Fused Deposition Modeling). El modelat per deposició fosa, diposita el material en capes fins a conformar la peça. Un filament plástic o metálic s’introdueix al bec, que es troba per sobre de la temperatura de fusió del material del filament, que diposita capa per capa sobre una plataforma d’impressió. El bec és guiat en tres eixos, que bé poden moure la plataforma d’impressió o el mateix bec. Aquesta és la tecnologia més popular i assequible. Algunes aplicacions són el prototipatge, maquetes arquitectòniques o disseny funcional a petita escala. Aquesta tecnologia presenta les limitacions d’una resolució limitada al desplaçament dels eixos i del bec, també presenta un acabat rugós, que no és adequat per a superfícies òptiques. [3][14] Il·lustració 4. Diagrama de funcionament d'una impressora FDM [15] 2. SLA (Stereo Litography Apparatus). L'estereolitografia o fabricació òptica utilitza resina líquida que cura mitjançant llum ultra violera en un tanc. Els objectes s’obtenen mitjançant l’addició successiva de fines capes, impreses una sobre una altra. La plataforma d’impressió es desplaça sobre un eix que es va allunyant de la font de rajos UV que curen la resina. Ofereix una alta resolució i superfícies llises, ideals per a components petits i detallats. Aquesta tecnologia presenta aplicacions mèdiques, de joieria i en components òptics com lents. Les limitacions que presenta l’estereolitografia és que els materials són més cars i requereix postprocessament (per a acabar el curat de la resina). [3][16] 9 Il·lustració 5. Diagrama de funcionament d'una impressora SLA [17] 3. MSLA (Masked stereolithography) o LCD (Liquid Crystal Display). Aquesta tecnologia és una variació de l’SLA que utilitza una pantalla LCD d’alta resolució per projectar imatges UV sobre la resina líquida, solidificant-la capa per capa. Presenta una velocitat superior respecte a SLA tradicional gràcies a la curació de tota una capa simultàniament. També té un menor cost de les màquines i les resines en comparació amb SLA de làser. Ofereixen també una alta resolució d’impressió. Té el desavantatge que les pantalles LCD tenen una vida útil limitada, fet que pot augmentar els costos de manteniment. Com en SLA, requereix postprocessament intensiu i l’ús de resines pot ser tòxic si no es gestiona adequadament. [18] Disseny d'una càmera analògica utilitzant la tecnologia d'impressió 3D 10 Il·lustració 6. Diagrama de funcionament d'una impressora MSLA 4. SLS (Selective Làser Sintering). El sintetitzat selectiu per làser, utilitza una capa de pols, de dècimes de mil·límetre, en una cisterna que està a una temperatura lleugerament inferior al punt de fusió de la pols. Seguidament, un làser d’alta potència sinteritza la pols en els punts seleccionats i fa que les partícules de pols es fusionen i solidifiquen. Es fa servir per a petits volums de peces que requereixen ser funcionals. Aquesta tecnologia té un cost elevat i necessita un equip industrial per a poder-la utilitzar [19]. Il·lustració 7. Diagrama de funcionament d'una impressora SLS 5. MJF (Multi Jet Fusion). La impressió 3D per fusió multijet és un procés de fabricació additiva que produeix peces similars a les del SLS, fent servir un procés 11 lleugerament diferent. Per donar forma a les peces, la impressora dispensa un agent aglutinant des de molts filtres petits sobre el llit de pols, deixant la pols en un estat semisòlid abans d'acabar el procés amb calor. A continuació, la font infraroja de calor cura la secció transversal semisòlida abans que es dipositi una altra capa de pols i es repeteixi el procés. El procés va ser inventat el 2016 per HewlettPackard (HP) i continua estant sota aquesta patent. De la mateixa manera que el SLS el MJF presenta un cost elevat i necessita un equip industrial per a poder-la utilitzar. [20] Il·lustració 8.Diagrama de funcionament d'una impressora MJF Cada una d’aquestes tipologies presenta avantatges i desavantatges, sent les tecnologies FDM i SLA les més accessibles per a ús domèstic i projectes personals. La tecnologia d’impressió 3D ofereix grans possibilitats per al disseny de productes funcionals com càmeres analògiques. Tot i això, les limitacions en precisió, materials i postprocessament fan que sigui necessari complementar-la amb altres tècniques per assolir resultats de qualitat òptica, especialment en la fabricació de lents. Aquesta combinació d’accessibilitat i especialització la fa ideal per a projectes DIY i prototipatge, però menys adequada per a la producció massiva o aplicacions comercials exigents. b. Indagació impressió de lents La impressió de lents òptiques és una de les aplicacions més complexes de la fabricació additiva a causa dels requisits elevats de transparència, precisió i uniformitat superficial. Les lents impreses es fabriquen principalment amb resines transparents utilitzades en tecnologia MSLA. Aquestes resines permeten un acabat llis i una transmissió de llum adequada. Alternatives comercials com Clear Resin de Formlabs són especialment populars per a aplicacions òptiques. [21] Limitacions tècniques: Disseny d'una càmera analògica utilitzant la tecnologia d'impressió 3D 12 Precisió òptica: És difícil aconseguir una curvatura exacta i una uniformitat perfecta amb les tecnologies actuals, fet que limita la qualitat de les lents. Postprocessament necessari: Les lents impreses solen requerir poliment manual o tractaments químics per millorar la transparència i reduir les imperfeccions. Resistència limitada: Les resines MSLA no tenen la durabilitat de les lents de vidre o policarbonat fabricades convencionalment. Aplicacions reals: Les lents impreses en 3D s’utilitzen en prototips i experiments, però són menys comunes en productes comercials a causa de les seves limitacions. 2.3. Projectes similars El projecte parteix d’una base adquirida en altres projectes similars que han fet servir tecnologies d’impressió 3D per fabricar càmeres analògiques o han seguit un enfocament DIY (fes-ho tu mateix). L’anàlisi d’aquests exemples proporciona un context per al projecte actual i inspira solucions innovadores. a. Càmeres impreses en 3D OpenReflex [22]. L’OpenReflex és una càmera analògica SLR (Single-Lens Reflex) dissenyada completament per ser impresa en 3D. És un dels primers projectes a explorar aquesta combinació de tecnologia moderna i fotografia tradicional. Aquesta presenta les següents característiques: - Utilitza pel·lícula de 35mm. - Inclou un mirall mòbil imprès en 3D i un obturador mecànic. - Disseny modular per facilitar la personalització i reparació. Aquest projecte és reconegut per la seva ambició i funcionalitat, demostrant que és possible fabricar una càmera analògica funcional utilitzant exclusivament tecnologia d’impressió 3D. 13 Il·lustració 9. Fotografia model OpenReflex Easy 35 . Easy 35 és una càmera de forat estenopeic dissenyada per ser impresa en 3D [23]. Es caracteritza per la seva simplicitat i el seu enfocament educatiu. Aquesta presenta les següents característiques: - Fa servir pel·lícula de 35 mm. - Disseny senzill amb poques peces per facilitar la fabricació i el muntatge. - Perfecta per a principiants que volen explorar la fotografia estenopeica. Aquesta càmera serveix com a exemple accessible per a projectes educatius o per introduir-se al món de la fotografia analògica sense necessitat de components òptics complexos. Il·lustració 10. Fotografia model Easy 35 Disseny d'una càmera analògica utilitzant la tecnologia d'impressió 3D 14 b. Altres càmeres Càmera LEGO ZH [24]. Aquest projecte combina la popularitat dels blocs LEGO amb la fotografia analògica. La càmera LEGO és completament funcional i utilitza pel·lícula de 35 mm. Aquesta càmera presenta les següents característiques: - Construïda principalment amb blocs LEGO i components impresos en 3D. - Disseny modular que permet personalitzacions creatives. - Inclou un compartiment per a la pel·lícula i un mecanisme d’obturació senzill. Aquesta càmera destaca per la seva creativitat i el seu atractiu per a aficionats al bricolatge i a LEGO, demostrant que es pot combinar disseny lúdic amb funcionalitat. Il·lustració 11. Fotografia Model Lego ZH Pinhole Camera DIY. [25][26][27] Les càmeres de forat estenopeic són un dels projectes més populars entre els entusiastes del moviment DIY. Són fàcils de construir, econòmiques i permeten explorar els fonaments de la fotografia analògica. Aquesta càmera presenta les següents característiques: - Es poden fabricar amb materials senzills com cartró, llaunes o components impresos en 3D. - Funcionen sense lents, utilitzant un petit forat per projectar la imatge a la pel·lícula o paper fotogràfic. Aquestes càmeres són perfectes per a iniciatives educatives o creatives, fomentant la comprensió bàsica de l’òptica i la fotografia. Tots aquests projectes proporcionen diverses inspiracions i una bona base per al desenvolupament de la càmera analògica impresa en 3D. 15 Modularitat. La modularitat del disseny és essencial per facilitar la personalització, la reparació i l’adaptació a diferents formats de pel·lícula o lents. Accessibilitat. Els dissenys senzills, com el de la Easy 35, mostren que és possible crear càmeres funcionals amb un mínim de peces i sense necessitar eines complexes. Creativitat. Projectes com la càmera LEGO demostren que es pot combinar funcionalitat amb estètica i disseny lúdic, augmentant l’atractiu per a diferents grups d’usuaris. Integració de lents. Els projectes DIY més avançats mostren la viabilitat de reutilitzar lents comercials o fabricar-les, ampliant les opcions òptiques disponibles. Aquestes idees poden ser integrades al projecte actual per millorar el disseny, augmentar la funcionalitat i explorar nous enfocaments creatius i educatius. Disseny d'una càmera analògica utilitzant la tecnologia d'impressió 3D 16 3. Metodologia 3.1. Planificació Aquest projecte s’ha planificat mitjançant la metodologia WBS, per garantir un flux de treball organitzat, estructurat i orientat a obtenir un prototip funcional d’una càmera analògica mitjançant tecnologies d’impressió 3D. A continuació, es detallen les etapes principals, tècniques utilitzades i el procés de validació. El treball s’ha dividit en els següents paquets de treball: Taula 1. Paquet d'activitats Activitat Descripció Anàlisi de càmeres analògiques existents Cercar informació sobre càmeres analògiques actuals i antigues per entendre els components essencials i les funcionalitats requerides. Recopilació de requisits de disseny Establir i documentar els requisits tècnics i funcionals per a la càmera en funció dels materials disponibles i les limitacions de la impressió 3D. Recerca de propietats dels materials Cercar i analitzar les propietats mecàniques i òptiques dels materials candidats a utilitzar-se, com PLA, ABS per al cos, i resina transparent per a les lents. Estudi de les limitacions d’impressió FDM i MSLA Investigar les capacitats de resolució i les limitacions d’ambdues tecnologies d’impressió per determinar els límits de detall en les peces impreses. Investigació sobre lents i sistemes òptics Explorar dissenys bàsics de lents que podrien ser utilitzats en la càmera i considerar tant lents comprades com lents impreses en 3D. Modelatge del cos de la càmera en Solidworks Utilitzar SolidWorks per a crear el model del cos, definint espais per a la pel·lícula, l’obturador i el compartiment de les lents. Modelatge de les lents Crear el model de les lents amb un programa 3D que permeti configurar els paràmetres òptics necessaris o preparar un disseny per usar lents comprades. Modelatge dels mecanismes de la càmera Utilitzar SolidWorks per a crear el model d’aquells mecanismes per assegurar un correcte funcionament de la càmera Impressió inicial de prototips Realitzar la impressió dels primers prototips per comprovar la compatibilitat entre les parts i veure si les dimensions són correctes. Avaluació del prototip Revisar els prototips per a detectar possibles problemes en el disseny i documentar les observacions. 17 Activitat Descripció Millores i ajustos finals Modificar els fitxers 3D en funció dels resultats dels prototips per ajustar mides, mecanismes i l’encaix entre peces. Documentació del procés de disseny i fabricació Descriure els passos de disseny de cada component i el procés de fabricació, incloent-hi detalls de les eines, materials i especificacions. Informe de resultats finals Documentar els resultats obtinguts amb el prototip final, destacant les fortaleses i limitacions del disseny. Conclusions del projecte Elaborar les conclusions finals sobre la viabilitat i aplicació de la càmera impresa en 3D, així com una reflexió amb les possibles millores futures. Anàlisi de problemes trobats Documentar les dificultats i els problemes sorgits durant el projecte, així com les solucions aplicades. Reflexió sobre l’aprenentatge Redactar un informe d’autoavaluació amb el creixement i coneixements adquirits en el procés. Revisió de qualitat Revisar la qualitat de cada entregable per assegurar que compleix amb els estàndards definits inicialment. 3.2. Tècniques utilitzades A part per a planificar, s’han fet servir altres tècniques per a dissenyar i arribar al prototip final - Disseny amb programari 3D: S’ha fet servir SolidWorks per a crear els models tridimensionals del cos de la càmera i les lents. El cos de la càmera s’ha dissenyat amb espais per a la pel·lícula, mecanismes interns i compatibilitat amb impressores FDM. Mentre que les lents s’han dissenyat per adaptar-se a resines òptiques MSLA, amb superfícies corbes bàsiques per millorar la transmissió de llum. - Fabricació amb impressió 3D: Com bé s’ha comentat anteriorment s’ha utilitzat la impressió FDM per a la fabricació del cos i dels components mecanics de la camera. Fent servir PLA, per la seva facilitat de disponibilitat en el mercat, el seu cost, la facilitat d’impressió que presenta. Els components FDM s’han dissenyat per a tenir un ajust mitjançant mecanismes d'acoblament per assegurar un muntatge precís. També s’ha fet servir la impressió MSLA per a aconseguir la fabricació de les lents. S’ha buscat una resina transparent, com la que ofereix Anycubic Clear Resin. Els components impresos en MSLA s’han sotmès a un procés de curat UV i un tractament superficial acrílic per tal de millorar la transparència del resultat. Disseny d'una càmera analògica utilitzant la tecnologia d'impressió 3D 24 5. Desenvolupament de la solució o les solucions escollides Aquest apartat detalla el procés seguit per dissenyar, fabricar i validar la solució seleccionada, incloent-hi el disseny del cos de la càmera, la fabricació del prototip i les proves realitzades per comprovar la seva funcionalitat. 5.1. Disseny de la càmera El disseny del cos de la càmera es va dur a terme mitjançant el programa CAD SolidWorks, que permet l'exportació a diversos formats compatibles amb els programaris que preparen la impressió 3D o laminadors, com ho és el format STL. SolidWorks també ha permès complir amb els requisits funcionals i tècnics del projecte. a. Objectius del disseny: - Crear un cos compacte i lleuger que sigui fàcil de muntar i se li pugui afegir els diversos mecanismes de la càmera. - Incloure un compartiment per a la pel·lícula de 35 mm. - Dissenyar mecanismes interns que permetin l’avanç i l'exposició de la pel·lícula. - Dissenyar un mecanisme que permeti fer un temps d’exposició correcte. - Incorporar una muntura per a les lents. b. Inspiracions Per a orientar la estètica de la càmera i acotar la dimensió i característiques de la càmera, s’ha decidit agafar inspiració estètica de càmeres ja existents al mercat. El disseny d’aquesta càmera analògica ha estat influenciat per diversos conceptes i referències, tant funcionals com estètiques. A continuació es descriu com aquestes fonts d’inspiració han guiat les decisions de disseny per aconseguir un prototip que combina practicitat, estil i funcionalitat. Les càmeres d’un sol ús han servit com a principal referència pel que fa al mecanisme intern i a la mida general del dispositiu. Aquest tipus de càmeres són reconegudes per la seva simplicitat i eficàcia, característiques que han estat clau per desenvolupar un disseny funcional i assequible. El sistema d’avanç de la pel·lícula en les càmeres d’un sol ús és minimalista, però altament efectiu. Aquesta simplicitat ha estat reproduïda al disseny del prototip, utilitzant engranatges i mecanismes de tensió similars per garantir que la pel·lícula avanci correctament després de cada exposició. L’obturador mecànic, tot i requerir alguns ajustos, també s’ha inspirat en el disseny d’aquestes càmeres, que sovint utilitzen un sistema de ressort senzill per accionar el moviment ràpid necessari per captar la llum. El tamany reduït de les càmeres d’un sol ús ha estat una referència important per fer que el prototip sigui fàcil de transportar i utilitzar. Això ha requerit optimitzar l’espai intern per allotjar el mecanisme, el compartiment de la pel·lícula i les lents sense comprometre la comoditat de l’usuari. Aquesta compactabilitat no només millora l’experiència d’ús, sinó que també fa que el disseny sigui més accessible per a una audiència general. 25 c. Característiques principals del disseny: - Compartiment de pel·lícula: Espai dissenyat per allotjar un rotlle de pel·lícula de 35mm, amb una obertura controlada per evitar filtracions de llum. - Mecanismes interns: Un sistema d’engranatges senzill per permetre l’avanç manual de la pel·lícula després de cada exposició. - Ergonomia: Disseny amb contorns suaus per facilitar la manipulació durant la captura de fotografies. - Lents: La càmera ha de comptar amb lents impreses en 3D en la seva versió final. 5.2. Primeres versions a. Reptes a superar Durant el desenvolupament del prototip, es van identificar diversos reptes tècnics que van requerir iteracions i ajustos per garantir la funcionalitat i la viabilitat del disseny. Aquests reptes es van centrar en quatre àrees principals: - Mecanisme de l'obturador. El mecanisme d’obturació és crític per controlar la quantitat de llum que arriba a la pel·lícula. Desenvolupar un sistema mecànic que fos ràpid, precís i fiable va suposar un desafiament significatiu. - Impressió de les lents. La fabricació de lents òptiques amb impressió SLA/MSLA presenta reptes importants, com la necessitat de transparència i precisió superficial. Les lents impreses inicialment presentaven micro-imperfeccions que afectaven la qualitat de les imatges. - Sistema de càrrega del carret i la pel·lícula. Desenvolupar un sistema que permeti carregar i avançar la pel·lícula sense errors va ser un dels reptes més complicats, ja que els carrets de 35mm requereixen una tensió constant per evitar que la pel·lícula es desplaci de manera incorrecta o s’enrotlli malament. - Cos de la càmera compacte. Dissenyar un cos de càmera que fos compacte però capaç d’allotjar tots els mecanismes interns (obturador, sistema de pel·lícula i lents) sense comprometre la funcionalitat va ser una limitació significativa. En els següents punts s’exposa com s’ha afrontat els diferents reptes i quines solucions s’han aplicat per a superar-los. b. Mecanisme de l'obturador Disseny d'una càmera analògica utilitzant la tecnologia d'impressió 3D 26 Les primeres versions que es van produir del model van ser en l’àmbit dels mecanismes a tractar, sobretot al del component de l’actuador, ja que aquest es tracta d’un element mòbil de característiques elàstiques i que limitaria la mida de la càmera. Per a desenvolupar el mecanisme d’obturació es va observar els mecanismes de dissenys ja creats com mecanismes conformes, que poden emmagatzemar energia potencial per convertir-la en cinètica. Existeixen molts d’aquests tipus de mecanismes anàlegs a les molles metàl·liques utilitzats per a aconseguir aquesta energia potencial en un espai reduït. Finalment, i després d’analitzar les possibilitats que tenia cada model es va decidir fer servir un model de molla de torsió, ja que permetia accionar l’obturador de manera senzilla amb un sol actuador i simplificava molts mecanismes que es va intentar replicar d’altres maneres, però que requerien mecanismes més complexos i amb una major quantitat de peces. Il·lustració 12. Exemple de mecanisme mòbil amb característiques elàstiques imprès en FDM 27 Per al disseny de la molla de torsió s’ha utilitzat un disseny paramètric basat en el treball d’Umerto Scarcia et al., “Optimal Design of 3D printed Spiral Torsion Springs”. On amb unes condicions inicials donades, com el rang de la molla, el límit elàstic del material i la constant desitjada, es pot trobar totes les característiques que ha de tenir el molla per tal d’aconseguir-ho, com ara el pas entre espiral o la distància total de l’espiral. Per a més detall consultar annex 1. CÀLCUL DE LES VARIABLES D’UNA MOLLA DE TORSIÓ IMPRÈS EN 3D. Il·lustració 14. Taula de càlcul de les constants del molla Il·lustració 13. Principals mecanismes elàstics candidats per a fer l'obturador Disseny d'una càmera analògica utilitzant la tecnologia d'impressió 3D 28 Un cop aconseguit un molla prou rígid es va desenvolupar l’actuador de l'obturador, es van concebre dues opcions que cadascuna té els seus avantatges i inconvenients: La primera es basa a allargar el molla radialment i tenir una punta la qual pugui recórrer la distancia necessària per a poder deixar al descobert la pel·lícula fotogràfica i captar la foto en l'instant que salta. Il·lustració 15. Proposta 1 Actuador La segona opció similar a la primera, té l’actuador entremig de l’obturador i el molla, generant una distancia menor a recórrer. Aquesta opció tot i que per l’usuari final facilita la tasca, va demostrar ser molt complicat d’aconseguir a la pràctica i es va descartar per massa complex. Il·lustració 16. Proposta 2 Actuador 29 Per a la mida de l’obturador es va buscar que fora d’una mida reduïda, però raonable, es van mantenir la proporció de la pel·lícula de 35 mm, però de manera reduïda, escollint una dimensió de l’obturador de 9 x 6 mm. b. Creació de les lents Per a desenvolupar les lents, es va prendre de referencia un procés ja existent publicat per Formlabs i que utilitza la tecnologia MSLA, amb una resina més econòmica, però de propietats similars, aquesta es tracta de la High Clear Resin d’Anycubic. Abans de qualsevol disseny definitiu s’ha realitzat una sèrie de proves per a obtenir un provés que garanteixi un resultat nítid i clar, aquestes és poden consultar en el ANNEX 3. DESENVOLUPAMENT DEL PROCÉS PER A LA FABRICACIÓ DE LENTS. Aquestes proves van resultar en un procés que genera una lent correcta. Aquest procés és el següent. I. Impressió de la lent. Es carrega el model laminat a la impressora i es procedeix amb la impressió de manera predeterminada. II. Rentat de la lent en alcohol isopropílic. Les lents surten amb un excés de resina i després de treure les lents de la plataforma d’impressió aquestes es renten amb alcohol isopropílic. III. Assecat de la lent. Després del rentat de la lent, aquesta es deixa durant un minut a assecar per tal d’evaporar l’excedent d’alcohol que hagi pogut quedar. IV. Imprimació de la capa amb una petita capa de resina sense curar. Al no quedar cap líquid sobre la superfície es revelen els errors superficials de la lent deguts a les capes de la impressió 3D. Aquestes es pinten amb una capa molt fina de resina sense curar que permeten reduir les imperfeccions visuals generades per les capes. V. Curat final de la resina. S’exposa durant 2 minuts la resina en una càmera de rajos UV, garantint un curat total de la resina. VI. Acabat final amb esprai d’acrílic. Aquest pas garanteix un acabat superficial sense granulat superficial. Pel disseny de les lents s’ha usat el programari gratuït d’Optical Ray Tracer per tal de saber com havia de ser la lent per a garantir una exposició de la pel·lícula així com per a posteriorment calcular la ubicació de l’obturador dins de l’assemblatge. Com que es tracta d’un programari 2D, per a calcular la curvatura, s’ha utilitzat com a diàmetre a capturar el diàmetre de la circumferència circumscrita en la mida de les proporcions de 35 mm. Es va provar d’imprimir en un principi lent de doble curvatura, però en imprimir amb 3d generaven suports que distorsionaven el resultat final, per això únicament s’ha fet servir una lent de curvatura simple. El resultat és aquest, les mesures es poden treure del mateix programa, segons l’input que s’hagi donat i per replicar amb 3D es tracta de fer una revolució sobre l’eix. Disseny d'una càmera analògica utilitzant la tecnologia d'impressió 3D 30 Il·lustració 17. Lent dissenyada amb el programa Optical Ray Tracer, a l’esquerra el disseny amb el programa i a la dreta la lent feta amb solidworks c. Sistema de carrega del carret Per tal de garantir que es pugues carregar la càmera es va realitzar un sistema de carrega de carret. Aquest va partir del sistemes de les càmeres de les que s’inspira aquest projecte. Per a realitzar el sistema de carrega del carret, es va agafar les mesures d’un carret de 35 mm el qual es va fer un encaix, en aquest es va afegir un tram per al pas de la pel·lícula i forat amb un cilindre foradat a la part contraria per tal de provar també l’avanç de la pel·lícula. Amb les correctes mesures és va arribar al següent model. Il·lustració 18. Sistema de carrega del carret Es va imprimir per a garantir la correcta presa de mesures i dimensionat correcte. 31 Il·lustració 19. Impressió del sistema de carrega del carret d. Cos de la càmera Posteriorment i partint del sistema de carrega del carret, es va desenvolupar el cos de la càmera així com l’encaix que tindria amb el mecanisme de l'obturador o la lent. Això va ser una tasca més fàcil a les anteriors, ja que amb les dades que ja es tenien, forçaven al fet que molta part del disseny seguis aquests paràmetres. Es va partir dels requisits imposats per la pel·lícula de 35 mm, assegurant que aquesta s'hi pogués introduir i poder passar amb facilitat. Posteriorment, es va afegir la distancia focal, on havia d’estar la lent i finalment es va fer un forat per a introduir el mecanisme de l’obturador. A part d’això es va fabricar un parell de tapes que, a part de protegir de la llum a la pel·lícula fotosensible, feien que tot el modelatge encaixes correctament. Es va arribar al següent model del cos: Il·lustració 20. Model CAD del cos de la camera e. Primera versió La primera versió va resultar en el següent assemblatge: Disseny d'una càmera analògica utilitzant la tecnologia d'impressió 3D 32 Il·lustració 21. Assemblatge primera versió de la càmera Aquest assemblatge te els següents components: 01. Cos Il·lustració 22. CAD Cos 02. Base Obturador Il·lustració 23. CAD Base Actuador 33 03. Obturador Il·lustració 24. CAD Obturador 04. Actuador obturador Il·lustració 25. CAD Actuador Obturador 05. Subjectador pel·lícula Disseny d'una càmera analògica utilitzant la tecnologia d'impressió 3D 40 Per a la lent es va fer múltiples lents, ja que amb l’experiència prèvia i amb la poca experiència que tinc de la impressió amb resina, poden haver-hi errors que afectin la qualitat de la lent. També s’ha realitzat múltiples lents per dur a terme proves amb el postprocessat i veure quina és la millor manera de tractar la resina transparent per tal d’obtenir els millors resultats. Cal recordar que aquest tipus d’impressió el temps no depèn de la quantitat de material utilitzat sinó de l'altura total del model, així que imprimir una lent o 10 no afecta el temps d’impressió. S’ha fet servir un paràmetre de 0,0050 mm per a l’altura de capa. Tardant un total de 23 minuts i 54 segons. d. Errors detectats després de la primera impressió Després d’imprimir i provar el primer prototip, es van identificar diverses limitacions que requerien ajustos per millorar la funcionalitat i l’eficàcia de la càmera. Es van detectar els següents errors: 1. Encaixos ajustats de manera insuficient entre les peces. 2. Falta del pas correcte de la pel·lícula pel sistema d’avançat. 3. Sistema de trampa de llum del carret no és correcte, i no permet rebobinar la pel·lícula correctament. Millores a implementar: 1. Ajustos en les toleràncies de les peces per millorar l’encaix. 2. Redefinir el cos de la càmera d’un sistema de guia de la pel·lícula abans d’entrar a la bobina de càrrega. 3. Redisseny complet del sistema de rebobinat de la pel·lícula el qual s’ha d’ajustar per tal d’aconseguir un bon ajust per evitar que entri llum dins de la càmera. e. Correcció dels errors detectats Tots els errors detectats va suposar un petit ajust en la majoria de components per a tenir una tolerància desitjada. Però és va haver de fer un canvi major en els següents components del assemblatge: Il·lustració 38. Programa laminador per a impressora MSLA, amb el temps d'impressió a l'esquerra 41 - Cos de la càmera. Es va afegir una guia per a la pel·lícula que fa que quedi correctament col·locada per a la comprovació de l’avanç. També s’ha modificat el espai que allotja el comptador de pel·lícula. - S’ha redefinit el sistema de rebobinat de la pel·lícula per a que aquesta torni a entrar al carret de manera completa, s’ha simplificat i s’ha fet en una sola peça amb un ajust molt petit que no permeti el pas de la llum. Finalment l’assemblatge després de revisió ha quedat amb els següents components, dels quals s’inclouen plànols en el ANNEX 4. PLANOLS. 01. Cos Il·lustració 39. CAD Modificat del Cos 13. Subjectador carret Il·lustració 40. CAD Modificat del Subjectador carret Disseny d'una càmera analògica utilitzant la tecnologia d'impressió 3D 42 Finalment ha quedat el següent assemblatge: Il·lustració 41. Assemblatge primera versió després de revisió de la càmera. Finalment amb els canvis realitzats la impressió quedaria de la següent manera: Il·lustració 42. Preparació de la Impressió FDM després de modificació. Quedant un temps total d’impressió de 6 hores i 28 minuts amb un total de filament gastat de 112,09 g o 37,58 m, amb un cost aproximat de materials 2,28 €. 43 5.4. Prova del prototip Finalment s’ha muntat el prototip per a provar la seva funcionalitat, quedant el següent prototip: Il·lustració 43. Primer prototip funcional Per validar la funcionalitat de la càmera, es van realitzar diverses fotografies per a comprovar el funcionament de tots els mecanismes. Per a dur a terme les proves de camp s’ha utilitzat una pel·lícula negativa de Kodak d’ISO 200 amb 36 exposicions a. Objectius: - Verificar la funcionalitat dels mecanismes interns, com l’obturador i l’avanç de la pel·lícula. - Assegurar que el compartiment de pel·lícula és estanc a la llum. - Comprovar la capacitat de realització de fotografies de la càmera. b. Resultats: En fer servir el prototip en una prova de camp s’ha observat per experiència d’usuari que el mecanisme d’avanç de la pel·lícula s’ha d’ajustar, ja que pot perdre la pel·lícula a mig carret. Es va solucionar durant les proves passant completament el carret a un costat. La prova de camp de la càmera ha donat els següents resultats: Disseny d'una càmera analògica utilitzant la tecnologia d'impressió 3D 44 Il·lustració 44. Resultat del testatge realitzat Tot i que no sembla gran cosa, aquests resultats aporten molta informació, en concret es pot veure els següents problemes: 45 - El mecanisme d’obturació és massa lent i els resultats de la pel·lícula ha sortit cremat. S’ha d’incrementar la rigidesa del molla, perquè tot el sistema d’obturació presenta molta inèrcia, que no s’havia tingut en compte inicialment. - Hi ha una imatge que no està sobreexposada, però que es presenta com una taca. Això pot ser resultat d’un mal enfocament de la lent i pot comportar que la imatge que captura pot no ser del tot nítida. S’ha d’idear un sistema que pugui ajustar-se la distancia focal i la dimensió de la lent i obtenir una imatge nítida, aquest sistema s’hauria de realitzar abans de realitzar cap altre testatge - Caldria afegir un sistema de bloqueig del pas de la pel·lícula per tal d’evitar les zones buides així com de doble exposició (cas de la marca més allargada) També s’observa punts on el prototip ha estat un èxit. Aquests punts són: - Correcta estanquitat de la llum de la càmera. S’observa que no hi ha filtració de llum dintre de la càmera, ja que en cas que hi hagués, no es veuria tan marcada la vora. - Correcte centrat de la pel·lícula dins de la càmera, s’observa pel fet que les vores presenten una mateixa distancia. c. Conclusions del testatge: El prototip ha mostrat un funcionament bàsic acceptable, però encara requereix ajustos importants per garantir un rendiment òptim. Les principals millores a considerar inclouen: - Redissenyar el mecanisme d’avanç per evitar pèrdues de tensió i que comportin la pèrdua de la pel·lícula. - Ajustar la velocitat del mecanisme d’obturació mitjançant un moll més robust o un sistema ajustable. - Dur a terme proves exhaustives amb les millores implementades per validar la funcionalitat i garantir la qualitat de les fotografies. Aquestes millores, un cop aplicades, permetran obtenir una càmera funcional i fiable que compleixi amb els requisits inicials del projecte. Disseny d'una càmera analògica utilitzant la tecnologia d'impressió 3D 46 6. Resum del pressupost i/o estudi de viabilitat econòmica Aquest apartat analitza els costos associats al desenvolupament del projecte, incloent-hi els materials utilitzats, el temps dedicat a les diferents fases i les eines emprades. A més, s’avalua la viabilitat econòmica de replicar la càmera analògica en condicions similars, identificant possibles millores per optimitzar costos. 6.1. Costos de materials Els materials necessaris per a la realització del projecte inclouen tant els consumibles per a la impressió 3D com altres components adquirits, com les lents comercials i eines per al postprocessament. a. Materials utilitzats en la tecnologia FDM: PLA (3 bobines d'1 kg): Preu estimat: 60 € (20 € per bobina) Quantitat feta servir: 2,5 (S’ha consumit un total de 2 bobines i mitja) Cost final: 50 € b. Materials per a les lents (MSLA): Resina transparent (1 litre): 40 € Quantitat utilitzada: 500 ml (50% del total) Cost final: 20 € c. Postprocessament de resina: Alcohol isopropílic (5 L): 23,99 € Spray de metacrilat per un acabat superficial: 9,99 € EPI Impressió Resina: Màscara: 20,99 € Guants nitril: 5,49 € Cost total de materials: 47 Taula 2. Cost de materials Component Cost (€) PLA 50 € Resina MSLA 20 € Postprocessament 33,98 € EPI 26,48 € Total estimat 130,46€ 6.2. Costos d’ús de maquinària L’ús d’impressores 3D genera costos associats a l’electricitat i el desgast de les màquines. a. Impressió FDM (cos de la càmera): Temps d’impressió: 48 hores Consum elèctric estimat: 1 kWh/h Cost d’electricitat (0,2 €/kWh): 9,60 € b. Impressió MSLA(lents): Temps d’impressió: 4 hores Consum elèctric estimat: 0,12 kWh/h Cost d’electricitat (0,2 €/kWh): 2,62 € c. Altres costos associats: Desgast d’impressores Estimació de manteniment i reemplaçament de peces (boquilles, plaques) en un 10% del cost en materials: 13,46 € Cost total d’ús de maquinària: 25,46 € Disseny d'una càmera analògica utilitzant la tecnologia d'impressió 3D 48 6.3. Costos de mà d’obra Aquest apartat considera el temps dedicat a cada fase del projecte i estima el cost de mà d’obra en cas de replicar el projecte professionalment. Taula 3. Cost total de mà d'obra Fase Hores dedicades Cost/hora (aprox.) Cost (€) Investigació inicial 80 h 10 € 800 € Disseny CAD i ajustaments 150 h 10 € 1.500 € Impressió i postprocessament 50 h 10 € 500 € Testatge i validació 75 h 10 € 750 € Documentació 75 h 10 € 750 € Total mà d’obra 430 h 10 € 4.300 6.4. Costos totals Taula 4. Costos totals Concepte Cost (€) Materials 130,46 € Ús de maquinària 25,46 € Mà d’obra 4.300 € Total estimat 4.455,92 € 49 6.5. Estudi de viabilitat econòmica La viabilitat econòmica del projecte depèn del context en què es vulgui replicar: El cost dels materials i l’ús de maquinària és relativament baix, si trèiem el material utilitzat per proves no supera els 60 €, cosa que fa viable la fabricació d’una unitat per a ús personal o com a projecte educatiu. I en determinades situacions el cost es pot abaratir més per disponibilitat de la maquinària. Si es volgués desenvolupar una solució comercial, a mesura que es fabriquen més unitats, el cost de mà d’obra i desenvolupament es dilueix, reduint el cost per unitat, però llavors entra el cost de temps d’impressió i s’hauria de comparar amb el cost de generar una càmera utilitzant injecció de plàstic. Abans de generar cap producció comercial, seria necessari optimitzar processos, reduir la dependència de la mà d’obra manual i estudiar l’ús de materials més econòmics a gran escala, com seria substituir les lents impreses per MSLA per lents fabricades en policarbonat. Aquest projecte és econòmicament viable per a ús personal, educatiu o producció en petites sèries. No obstant això, la producció a escala comercial requeriria optimitzacions significatives en el disseny i els materials per competir amb càmeres analògiques de baix cost ja presents al mercat. Aquest model es destaca per la seva personalització i potencial educatiu, més que per la seva competitivitat en costos. Disseny d'una càmera analògica utilitzant la tecnologia d'impressió 3D 56 9. Referències 1. Carmena, M. (2023, November 26). Are we getting tired of the selfie? The surprising return of analog cameras. Ediciones EL PAÍS S.L. https://english.elpais.com/lifestyle/2023-11-26/are-we-getting-tired-of-the-selfiethe-surprising-return-of-analog-cameras.html 2. Film Photography Camera Market Size, Share, Growth, and Industry Analysis, By Type (Reusable Cameras, Disposable Cameras), By Application (Online, Offline), Regional Insights and Forecast. (2032). 3. Gibson, I., Rosen, D. W., & Stucker, B. (2015). Additive Manufacturing Technologies: 3D Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing. Springer. 4. Aristotle. (2013). Works translated into English under the editorship of W. d. ross volume 5. Rarebooksclub.com 5. Eder, J. M. (1945). History of photography. Columbia University Press. 6. Wikipedia contributors. (n.d.). Daguerrotipo. Wikipedia, The Free Encyclopedia. https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Daguerrotipo&oldid=163263208 7. Wikipedia contributors. (2024, diciembre 31). Henry Fox Talbot. Wikipedia, The Free Encyclopedia. https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Henry_Fox_Talbot&oldid=1266475031 8. Wikipedia contributors. (s/f). Kodak. Wikipedia, The Free Encyclopedia. https://ca.wikipedia.org/w/index.php?title=Kodak&oldid=33761112 9. Rey, M. (2021, September 4). Los jóvenes buscan carretes: el auge de la fotografía analógica en plena era digital. El Confidencial. https://www.elconfidencial.com/tecnologia/2021-09-04/fotografia-analogicacarretes-jovenes-era-digital_3240654/ 10. Diferencias entre fotografía analógica y digital. (2023, March 17). Fotógrafos Alicante - Fotógrafos en Alicante. https://fotografosalicante.com/fotografiaanalogica-digital/ 11. Aldred, J. (2022, October 20). Leica has officially announced the Leica M6 reissue – their film camera launch in over 20 years. DIY Photography. https://www.diyphotography.net/leica-has-officially-announced-the-leica-m6reissue-their-film-camera-launch-in-over-20-years/ 12. (N.d.). Gtcie.com. Retrieved December 15, 2024, from https://www.kodak.gtcie.com/es/60-camaras-analogicas 13. Black & white film. (n.d.). Ilfordphoto.com. Retrieved December 15, 2024, from https://www.ilfordphoto.com/black-white-film 14. Wikipedia contributors. (n.d.-b). Modelado por deposición fundida. Wikipedia, The Free Encyclopedia. https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Modelado_por_deposici%C3%B3 n_fundida&oldid=144059818 15. Liquid for Fused Deposition Modeling Technique (L-FDM)-A Revolution in Application Chemicals to 3D Printing Technology: Color and Elements - Scientific Figure. (n.d.). 16. Wikipedia contributors. (n.d.-a). Estereolitografia (impressió). Wikipedia, The Free Encyclopedia. https://ca.wikipedia.org/w/index.php?title=Estereolitografia_(impressi%C3% B3)&oldid=34005034 17. Shields, G. (2023, February 1). Design for SLA 3D printing: The ultimate guide. Printpool.co.uk. https://www.printpool.co.uk/articles/design-for-sla3d-printing-the-ultimate-guide 57 18. SLA vs. DLP vs. MSLA vs. LCD: Guide to resin 3D printers. (n.d.). Formlabs. Retrieved December 27, 2024, from https://formlabs.com/blog/resin-3d-printer-comparison-sla-vsdlp/?srsltid=AfmBOoppF2hCJQw2tZ-JYIS170kbtGrb103AT8Wn6akFobktWHUDoZ 19. Sinterización selectiva por láser. (2017, February 2). 3D Systems. https://es.3dsystems.com/selective-laser-sintering 20. Impresión Multi Jet Fusion (MJF) 3D: ¿qué es y cómo funciona? (2020, September 3). Weerg.com. https://www.weerg.com/es/guias/multi-jetfusion-mjf-3d-que-es-y-como-funciona 21. Creación de lentes impresas en 3D y una cámara impresa en 3D con la estereolitografía. (n.d.). Formlabs. Retrieved January 3, 2025, from https://formlabs.com/es/blog/creating-camera-lenses-withstereolithography/ 22. » M. A. L. (2013, July 5). 3D printed camera : OpenReflex. Instructables. https://www.instructables.com/3D-Printed-Camera-OpenReflex/ 23. Easy 35 3D Printed Pinhole Camera. (2015, August 8). Instructables. https://www.instructables.com/Easy-35-3D-Printed-Pinhole-Camera/ 24. Zung. (n.d.). LEGO ZH1 - working and functional 35mm film camera. Lego.com. Retrieved January 2, 2025, from https://ideas.lego.com/projects/87367099-a72a-4796-afa7-895a58ed932a 25. Pinhole camera. (2016, August 5). National Geographic. https://kids.nationalgeographic.com/books/article/pinhole-camera 26. How to make a pinhole camera. (n.d.). NASA JPL Education. Retrieved January 2, 2025, from https://www.jpl.nasa.gov/edu/resources/project/howto-make-a-pinhole-camera/ 27. 343GUILTYSPARK. (2009, January 14). How to Make a Pinhole Camera. Instructables. https://www.instructables.com/How-To-Make-A-PinholeCamera/ Disseny d'una càmera analògica utilitzant la tecnologia d'impressió 3D 58 ANNEXES 59 ANNEX 1. CÀLCUL DE LES VARIABLES D’UNA MOLLA DE TORSIÓ IMPRÈS EN 3D S’ha utilitzat un model tret d’internet que es basa en el treball d’Umerto Scarcia et al., “Optimal Design of 3D printed Spiral Torsion Springs”, aquest full de càlcul és una eina paramètrica desenvolupada per optimitzar el disseny de molls de torsió fets servir en projectes tècnics. Tota la documentació és pot trobar al següent enllaç: https://www.printables.com/model/485731-spiral-torsion-spring-optimizer-v3 El full de càlcul permet calcular automàticament les propietats físiques d’un moll de torsió en funció dels paràmetres d’entrada definits per l'usuari. A més, optimitza el disseny per minimitzar el radi del moll, garantint un component compacte amb les característiques desitjades. Aquest procés es completa en tres passos principals: 1. Introducció de dades inicials i ajust de paràmetres al full de càlcul. 2. Optimització i càlcul automàtic dels resultats mitjançant fórmules i eines com “Goal Seek”. 3. Exportació de resultats per crear un model 3D del moll a programes com FreeCAD. En el nostre cas s’ha adaptat el model a un model paramètric de SolidWorks. El document està organitzat de manera clara i seqüencial per facilitar-ne l’ús, fins i tot per a usuaris sense experiència prèvia: Inputs: Camps on s’introdueixen dades com el material, el diàmetre del fil, l’alçada i el nombre de voltes. Càlculs automàtics: El full calcula propietats com la constant de torsió (K), el moment màxim i el radi del moll. Taules de resultats: Es mostren els valors calculats en format visual i amb gràfics per entendre millor el comportament del moll. Disseny d'una càmera analògica utilitzant la tecnologia d'impressió 3D 60 Regles d’ajust: Una taula d’ajuda indica quins paràmetres modificar per assolir resultats específics, com augmentar la resistència o reduir la mida. Optimització del disseny El full utilitza “Goal Seek” (manera manual a LibreOffice o automàtica a Excel) per ajustar automàticament els paràmetres d’entrada fins a obtenir els resultats òptims, com el radi mínim del moll. Calcula les tensions màximes que el moll pot suportar en funció del material seleccionat i el mòdul d’elasticitat (Young’s Modulus). Validació del disseny El full de càlcul a més incorpora una funció que verifica si el moll compleix les condicions de resistència mecànica mitjançant el factor de seguretat (Safety Factor). També indica si 61 el disseny és viable o si és probable que el moll falli sota l’estrès calculat. Disseny d'una càmera analògica utilitzant la tecnologia d'impressió 3D 62 ANNEX 2. ESTUDI DE MATERIALS PER AL PROJECTE En aquest estudi s’analitza diverses alternatives de materials per a les tecnologies d’impressió 3D FDM i MSLA utilitzades en aquest projecte. Es busca identificar els materials més adequats per garantir la funcionalitat, durabilitat i viabilitat econòmica del prototip. 1. Materials per a la impressió FDM La impressió FDM és ideal per fabricar el cos de la càmera i dels mecanismes de la càmera gràcies a la seva accessibilitat i cost baix. A continuació, es comparen els materials més utilitzats per aquesta tecnologia: Material Característiques Avantatges Desavantatges PLA Plàstic biodegradable derivat del midó de blat de moro. Resistent però poc flexible. Fàcil d’imprimir (baixes temperatures i baixa probabilitat de deformacions). Econòmic. Biodegradable i sostenible. Resistència limitada a altes temperatures (deforma a >60 °C). Fràgil en comparació amb altres materials. ABS Plàstic tècnic utilitzat en productes comercials (ex.: carcasses). Flexible i resistent. Més resistent a altes temperatures (fins a 100 °C). Bona durabilitat i impacte. Difícil d’imprimir (presenta deformacions durant la impressió sense llit calent). Emissions de vapors durant la impressió (necessitat de ventilació). PETG Plàstic combinant resistència i flexibilitat. Molt utilitzat en prototipatge funcional. Resistent a l’impacte i als productes químics. Més flexible que el PLA. Més difícil d’imprimir que el PLA. Pot produir fils durant la impressió. Nylon Material flexible i resistent. S'usa en aplicacions tècniques com engranatges. Alta resistència a l’impacte i al desgast. Resistent a l’absorció d’humitat (si es tracta adequadament). Molt difícil d’imprimir. Requereix temperatures altes i equips específics. 63 Finalment per al prototipatge s’ha seleccionat el PLA, ja que es considera que és el material més adequat per al cos de la càmera en aquest projecte, perquè: - És fàcil d’imprimir, econòmic i biodegradable. - Tot i ser menys resistent a la calor, el disseny de la càmera no preveu exposició a temperatures extremes, per la qual cosa aquesta limitació no afecta el rendiment. Materials per a la impressió MSLA (lents òptiques) Les resines transparents són essencials per obtenir lents funcionals amb propietats òptiques adequades. Aquí es comparen les diverses marques que ofereixen un producte capaç de conseguir ser una lent: Resina (Marca) Característiques Avantatges Desavantatges Cost aproximat (€/L) Formlabs Clear Resin (Standard) Resina transparent estàndard amb alta qualitat de superfície i fàcil postprocessament. Bona transparència després del poliment. Fàcil de treballar per a aplicacions generals. Menys resistent a l’impacte que altres opcions com Tough Resin. 80 € Anycubic High Clear Resin Resina transparent avançada amb alta transmissió de llum i excel·lent qualitat de superfície després del postprocessament. Alta transparència després del curat i poliment. Bona resistència mecànica. Cost assequible. Requereix postprocessament per obtenir la màxima transparència. 40 € Elegoo Standard Clear Resin Resina estàndard assequible amb bona compatibilitat per a impressores MSLA. Econòmica. Bona per a projectes DIY o prototips no crítics. Resistència mecànica baixa. Transparència no òptima sense poliment. 30 € Finalment, s’ha seleccionat la High Clear Resin d'Anycubic, ja que es considera que és la millor opció per a les lents del projecte gràcies a: Disseny d'una càmera analògica utilitzant la tecnologia d'impressió 3D 64 - Aconsegueix una transparència amb una ualitat òptica excel·lent després del curat i poliment. - Presenta un cost assequible, oferint una relació qualitat-preu superior en comparació amb resines prèmium com les de Formlabs. - Presenta una resistència suficient per a lents òptiques en aplicacions funcionals. 65 ANNEX 3. DESENVOLUPAMENT DEL PROCÉS PER A LA FABRICACIÓ DE LENTS Aquest annex descriu el procediment seguit per establir un procés definitiu per a la fabricació de lents impreses en 3D utilitzant tecnologia LCD amb resina High Clear Resin d’Anycubic. A través d’una sèrie de proves iteratives, es va desenvolupar un mètode que garanteix l’obtenció de lents nítides i funcionals. Proves Inicials. Resultats de la Impressió i Curat Primera prova: Impressió, rentat i curat. Procés: Es va carregar el model laminat a la impressora LCD i es va imprimir la lent utilitzant paràmetres predeterminats. Després de retirar la lent de la plataforma d’impressió, es va rentar en alcohol isopropílic i es va curar durant 2 minuts en una càmera UV. Resultat: Tot i que la lent es va imprimir amb èxit, el resultat no va ser translúcid. Es van detectar imperfeccions superficials evidents degudes a les capes de la impressió 3D, que afectaven la transparència i la qualitat òptica. Es va concloure que les imperfeccions visuals eren causades per les capes de la impressió i el curat directe. Aquest efecte es pot replicar sobre aquells materials translúcids utilitzats en vidres que són de superfície aspra on si es col·loca una capa que faci la superfície llisa, aquest vidre és converteix en transparent. Primera iteració. Adició de resina Per explorar solucions amb l’objectiu d’obtenir un acabat superficial llis, es van imprimir diverses lents per a realitzar tres proves amb diferents variacions del procés: Prova 1.0: CONTROL Impressió, rentat i curat. Procés: Es va repetir el procés inicial de la primera prova per comparar resultats. Resultat: Els resultats van ser similars al de la primera prova. Denominación plano: Código plano: Apellidos y nombre: Escala: Fecha: Calificación: Est.sup. UNE 1037 / Tol.gral. ISO 2768-m / Tol.geom. ISO 2768-2-K Casanovas Ambros, Pau Denominación proyecto: PFG - Càmera analògica 27-12-24 ESEIAAT Llista d'especejament PFG-00a Escola Superior d'Enginyeries Industrial, Aeroespacial i Audiovisual de Terrassa A4 13 Actuador obturador 1 - PLA 12 Obturador 1 - PLA 11 Base obturador 1 - PLA 10 Lent 1 - Anycubic High Clear Resin 09 Subjectador carret 1 - PLA 08 Subjectrador pel·lícula 1 - PLA 07 Tapa lent 1 - PLA 06 Sistema subjecció lateral 1 - PLA 05 Tapa lateral 1 - PLA 04 Comptador pel·lícula 1 - PLA 03 Tapa superior 1 - PLA 02 Roda dentada pas pel·lícula 1 - PLA 01 Cos 1 - PLA Marca Denominació Qty. Norma Material Producto SOLIDWORKS Educational. Solo para uso en la enseñanza. 5 8 Est. sup. UNE 1037/Tol. gral. ISO 2768-m/Tol. geom. ISO 2768-K Fecha: Escala: Apellidos y nombre: A3 Código plano: Denominación plano: Denominación proyecto: PFG - Càmera analògica PFG-00b 1 : 1 27-12-24 Conjunt Explosionat Casanovas Ambros, Pau A B C D E F G H H A E G B C D F 21 3 4 765 8 4 6 71 2 3 Escola Superior d'Enginyeries Industrial, Aeroespacial i Audiovisual de Terrassa ESEIAAT Producto SOLIDWORKS Educational. Solo para uso en la enseñanza. 14,782 5 8 Est. sup. UNE 1037/Tol. gral. ISO 2768-m/Tol. geom. ISO 2768-K Fecha: Escala: Apellidos y nombre: A3 Código plano: Denominación plano: Denominación proyecto: PFG - Càmera analògica 01 1 : 1 27-12-24 Especejament 1 Casanovas Ambros, Pau A B C D E F G H H A E G B C D F 21 3 4 765 8 4 6 71 2 3 Escola Superior d'Enginyeries Industrial, Aeroespacial i Audiovisual de Terrassa ESEIAAT 1 1,200 AA SECCIÓN A-A ESCALA 2 : 1 5 1 20 1 2 3 04 5,400 3,500 1,200 10 03 SECCIÓN B-B 5,200 1 65,750 10 7,800 54 40 9 08 126 38 2 3,500 8 10 6 7,400 BB ESCALA 2 : 1 2 02 10 58 12 10 6 126 5 35 122 1 64,500 18 29 3 01 Producto SOLIDWORKS Educational. Solo para uso en la enseñanza. 4,209 10 39,812 5 8 Est. sup. UNE 1037/Tol. gral. ISO 2768-m/Tol. geom. ISO 2768-K Fecha: Escala: Apellidos y nombre: A3 Código plano: Denominación plano: Denominación proyecto: PFG - Càmera analògica PFG-02 1 : 1 27-12-24 Especejament 2 Casanovas Ambros, Pau A B C D E F G H H A E G B C D F 21 3 4 765 8 4 6 71 2 3 Escola Superior d'Enginyeries Industrial, Aeroespacial i Audiovisual de Terrassa ESEIAAT 11 6 7 A A 07 SECCIÓN A-A 3 18 10 22 2 11,700 3,300 70 6 3 47,500 9 56,750 3 13,500 29 25,080 16 18 10 22 2 9 8 29,500 ESCALA 2 : 1 R5,500 1 14 10 7,200 70 6 13 6 1 2 ESCALA 2 : 1 14,169 12 4 5,500 R3 3 1 R2,200 R5,630 2,400 R2,200 7,500 06 ESCALA 2 : 1 09 45 20 134 56 4 05 ESCALA 2 : 1 11,900 19 Producto SOLIDWORKS Educational. Solo para uso en la enseñanza.