Adaptación de modelos de mecanismos para fabricación aditiva (impresión 3D)

Proyecto Fin de Carrera Ingeniería de Telecomunicación Formato de Publicación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Autor: F. Javier Payán Somet Tutor: Juan José Murillo Fuentes Dep. Teoría de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2013 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería Aeroespacial Adaptación de modelos de mecanismos para fabricación aditiva (impresión 3D) Autor: Pablo Muñoz Jaén Tutor: Eduardo Vázquez López Francisco Andrés Valderrama Gual Dpto. Ingeniería Gráfica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2023 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería Aeroespacial Adaptación de modelos de mecanismos para fabricación aditiva (impresión 3D) Autor: Pablo Muñoz Jaén Tutor: Eduardo Vázquez López Francisco Andrés Valderrama Gual Profesor Asociado Profesor titular Dpto. Ingeniería Gráfica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2023 Trabajo Fin de Grado: Adaptación de modelos de mecanismos para fabricación aditiva (impresión 3D) Autor: Pablo Muñoz Jaén Tutor: Eduardo Vázquez López Francisco Andrés Valderrama Gual El tribunal nombrado para juzgar el trabajo arriba indicado, compuesto por los siguientes profesores: Presidente: Vocal/es: Secretario: acuerdan otorgarle la calificación de: El Secretario del Tribunal Fecha: Agradecimientos A mi familia, que me ha apoyado todos estos años de esfuerzo y sacrificio. A mis amigos y compañeros, que han estado siempre ayudándome tanto para lo bueno como para lo malo. A mis profesores y a esta escuela, que me han hecho crecer tanto personal como profesionalmente. En concreto, a mis tutores, gracias a los cuales ha salido este trabajo adelante. Pablo Muñoz Jaén. Julio 2023. Sevilla. I Resumen Partiendo del diseño de un mecanismo con Catia V5, se han adaptado y modificado las distintas piezas del mismo para su fabricación mediante impresión 3D (fabricación aditiva). En primer lugar, ha sido necesario adaptar las dimensiones del mecanismo a las dimensiones máximas de la cámara de impresión. Una vez aplicada dicha reducción, se han definido los ajustes de impresión, del filamento y los ajustes de la impresora para la fabricación de cada pieza. Muchas de estas piezas han sufrido modificaciones necesarias para su posterior ensamble (cigüeñal), otras se han adaptado para que puedan ser impresas sin la necesidad de soportes (carcasa superior) o para que el mecanismo funcione con holgura suficiente (ejes). En el caso de la tornillería (tornillos, tuercas y arandelas) también han requerido de modificaciones para conseguir tolerancias entre eje/agujero que permitan su buen funcionamiento; además, también se ha llevado acabo el diseño del ranurado de tornillos y tuercas con CATIA V5 para su fabricación. Con cada una de las piezas adaptadas, se han covertido los formatos .CATPart a formatos .stp, formato compatible con el programa de laminación utilizado, PrusaSlicer-2.5.0. Con las piezas ya físicamente preparadas para el montaje, se ha realizado un postprocesado de las mismas para eliminar imperfecciones, restos de material o rugosidades. Finalmente, se ha montado el mecanismo completo, comprobando que funciona corréctamente y cumple su función: mecanismo que transforma el movimiento rotativo de un cigüeñal en el movimiento alternativo de un pistón gracias la transmisión de movimiento de una biela. Además, se ha realizado la planimetría completa del mecanismo con CATIA V5, haciendo un explosionado-listado del mecanismo y, posteriormente, los planos de cada una de las partes que componen el proyecto. III XÍndice 2.5.3 Velocidad volumétrica máxima 18 MVS en la configuración de impresión 18 MVS en la configuración del filamento 18 2.5.4 Posición de la costura 18 Más cercano (Borde) 19 Alineado 19 Aleatorio 19 2.5.5 Patrones de relleno 20 2.5.6 Falda y Balsa 21 Falda 21 Balsa 21 2.6 Metodología para la impresión 3D 22 Primer paso - Creación del contenido 22 Segundo paso - Conversión a formato STL 22 Tercer Paso - Rebanado (Slicing) 22 Cuarto Paso - La impresión 22 Quinto paso - Extracción de las piezas de la impresora 22 Sexto Paso - Post-procesamiento 23 2.7 Software de modelado: CATIA V5R19 24 2.8 Software laminador: PrusaSlicer 2.5.0 25 2.8.1 Barra de herramientas izquierda 25 2.8.2 Barra de herramientas superior 27 2.9 Normativa y regulación de la fabricación aditiva 28 3 Caso de estudio 29 3.1 Mecanismo de estudio 29 3.1.1 Listado de piezas 30 3.1.2 Cigüeñal 31 3.1.3 Biela 32 3.1.4 Pistón 33 3.1.5 Carcasa Inferior y Superior 34 4 Desarrollo 35 4.1 Modificación de las partes 36 4.1.1 Cigüeñal-Muñeca 36 4.1.2 Biela 38 4.1.3 Pistón 40 4.1.4 Cilindro biela-pistón 42 4.1.5 Carcasa inferior 44 4.1.6 Carcasa superior 46 4.1.7 Tornillería M16 49 Diseño de la tornillería M16 49 Impresión tornillería M16 52 4.1.8 Tornillería M4 54 Diseño de la tornillería M4 54 Impresión tornillería M14 57 5 Resultados 59 5.1 Montaje del mecanismo 59 Índice XI 5.1.1 Ensamble Cigüeñal-Biela-Pistón 59 5.1.2 Montaje final 60 5.1.3 Prueba del mecanismo y reajuste del diseño del pistón 62 5.2 Tiempo empleado y materiales de impresión 63 5.2.1 Cálculo del tiempo toal de laminación 63 5.2.2 Cálculo de la cantidad de material utilizado. 64 6 Conclusiones 65 Índice de Figuras 67 Índice de Tablas 69 Bibliografía 71 1 Introducción El presente trabajo de fin de grado ha sido propuesto por el departamento de Ingeniería Gráfica, dentro de una línea de trabajo sobre la fabricación aditiva (impresión 3D). La impresión 3D es una extensión de la idea surgida en 1980 conocida como Prototipo Rápido, que permite la fabricación de prototipos en horas mediante procesos aditivos. Las principales impresoras 3D trabajan mediante la adición de polímeros(FDM) o a través de la impresión por laser. A su vez, los materiales de impresión se clasifican en plásticos, metales o materiales en polvo. Para el presento proyecto, se utilizará la impresora Original Prusa i3 MK3s+ que trabajará fundiendo un filamento PETG y depositando capa sobre capa el polímero fundido hasta crear el prototipo deseado. El proceso seguido para la fabricación de cada una de las piezas del mecanismo será, en primer lugar, la adaptación/modificación de cada una de las partes con el programa de diseño CATIA V5;la conversión a un formato compatible con el programa PrusaSlicer; el laminado del prototipo conlos ajustes de impresión necesarios; la impresión 3D y, si la impresión es correcta, la extracción y el post-procesado de la pieza. En cuanto a los ajustes de impresión, se ajustarán alturas de capa, perímetros, espesores de pared delgada, materiales de soporte, umbrales de voladizo, velocidades volumétricas máximas, posición de la costura, entre otros parámetros que se describirán con más detalle posteriormente. En cuanto a la modificación de las partes, se ha tenido en cuenta las máximas dimensiones de la cámara de impresión, por lo que se le ha aplicado una reducción al mecanismo original del 40%. Entre las principales modificaciones se encuentra el cigüeñal, que se dividirá en tres partes, 2 semicigüeñales y la muñeca de unión de ambos, de forma que la impresión de estas 3 piezas no requieran soporte en prácticamente ninguna zona. A la carcasa superior se le diseñará una serie de costillas interiores que permitan la fabricación de la carcasa sin necesidad de ningún soporte. También será necesario el diseño del ranurado de la tornillería que cerrará ambas carcasas del mecanismo, así como la tornillería de unión de la biela inferior y superior. 1 2 Estado de la cuestion 2.1 Antecedentes Antes de que existiera la impresión 3D, los prototipos se tallaban con mucho trabajo invertido en madera o se pegaban con pequeños trozos de cartón o plástico. Podían tardar semanas o meses en hacerse y solían costar una fortuna. Conseguir que se hicieran cambios o modificaciones era difícil y llevaba mucho tiempo, sobre todo si se recurría a una empresa externa de fabricación de maquetas, y eso desanimaba a los diseñadores a la hora de hacer mejoras o ajustes. Durante la década de 1980, gracias a una mejor tecnología surgió una idea llamada prototipo rápido (RP): desarrollar modelos mediante métodos más automatizados, por norma general en horas o días en lugar de semanas. La impresión 3D es una extensión de esta idea en la que los diseñadores de productos fabrican sus propios prototipos rápidos, en horas, utilizando máquinas sofisticadas similares a las impresoras de inyección o chorro de tinta. 2.2 Contexto histórico El autor de ciencia ficción Arthur C. Clarke fue el primero en describir las funciones básicas de una impresora 3D en 1964. La primera impresora 3D fue lanzada en 1987 por Chuck Hull de 3D y utilizaba el proceso de "estereolitografía". En los años 90 y 00 se lanzaron otras tecnologías de impresión 3D, como la FDM de Stratasys y la SLS de 3D Systems. Estas impresiones eran caras y se utilizaban principalmente para la creación de prototipos industriales. En 2009, el Comité F42 de la ASTM publicó un documento con la terminología estándar sobre fabricación aditiva. Esto estableció la impresión 3D como una tecnología de fabricación industrial. Ese mismo año, las patentes de FDM expiraron y nacieron las primeras impresoras 3D de sobremesa de bajo coste gracias al proyecto RepRap. Lo que antes costaba 200000 euros, entonces estaba disponible por menos de 2000 euros. Según Wohlers [ 2 ], la adopción de la impresión 3D sigue creciendo: entre 2015 y 2017 se vendieron más de un millón de impresoras 3D de sobremesa en todo el mundo y las ventas de impresoras industriales de metal casi se duplicaron en 2017 respecto al año anterior. 3 4Capítulo 2. Estado de la cuestion 2.3 Impresoras 3D Una impresora 3D es una máquina capaz de construir figuras con volumen, es decir, que tienen ancho, largo y alto, a partir de un diseño hecho por ordenador. Esto es, convertir un diseño 3D creado con el ordenador en un modelo 3D físico. Para ello, se emplea el diseño asistido por ordenador (CAD). La creación de un objeto impreso en 3D se consigue mediante procesos aditivos. En un proceso aditivo se crea un objeto colocando capas sucesivas de material hasta que se forma todo el objeto. Cada una de estas capas podría verse como un corte transversal del objeto. En ocasiones denominada fabricación aditiva, dicha impresión consiste en estratificar materiales, como plásticos, materiales compuestos o biomateriales, para crear objetos con distintas formas, tamaños, rigidez, y colores, de manera que en lugar de utilizar tinta, la impresora deposita capas de plástico o polvo fundido y las fusiona con adhesivo o luz ultravioleta. Además, con ello se consigue un gran ahorro en los costes de montaje, pues es posible imprimir productos ya montados. Figura 2.1 Impresión de logotipo 3D. [2]. Las impresoras 3D utilizan principalmente 2 tipos de formas de imprimir, mediante la adición de polímeros o mediante la impresión por laser. Esta última, a su vez, se divide en 2 formas diferentes, lo que da lugar a 3 tipos de impresoras 3D diferentes. Aunque todos los tipos utilizan el proceso aditivo, hay algunas diferencias en la forma de construir el objeto. 2.3.1 Tipos de impresoras 3D • Adición de polímeros o FDM. Consiste en ir fundiendo un filamento (hilo) de polímero mediante un pico (boca de salida) y depositando capa sobre capa el material fundido hasta crear el objeto sólido. En esta tecnología, el propio material se va añadiendo por capas hasta crear la forma deseada. Las impresoras que emplean esta técnica tienen un coste menor y son las más utilizadas en el 2.3 Impresoras 3D 5 ámbito educativo. Esta técnica también se conoce como "Deposición de material fundido" o FDM. Es una tecnología que permite conseguir piezas utilizando plásticos ABS (similar al material de los juguetes Lego) o bien PLA (un polímero biodegradable que se produce desde un material orgánico). Figura 2.2 Impresión por adición de polímeros.[3]. •Impresión por laser. Con tecnología láser encontramos dos formas diferentes: 1. SLA. SLA o fotosolidificación significa endurecer un polímero a la luz. Se parte de una base que se sumerge dentro de un recipiente lleno de la resina líquida y va saliendo del recipiente capa a capa. El laser va solidificando la base según va saliendo del recipiente para crear el objeto. Esta técnica también se llama Estereolitografía. Con esta tecnología se pueden obtener piezasd de alta calidad. En la siguiente imagen se observa como el pistón es el que hace que vaya bajando el recipiente con la resina líquida y la base va saliendo hacia fuera del líquido a la vez que el laser la va solidificando. Figura 2.3 Impresión por fotosolidificación.[3]. 6Capítulo 2. Estado de la cuestion 2. SLS. SLS significa "sinterizado de laser de un material" y el material, a diferencia del SLA, está en estado de polvo. El láser impacta en el polvo y funde el material solidificándolo. 2.3.2 Impresora 3D Prusa i3 MK3S Para la impresión de cada una de las piezas del mecanismo de estudio del presente proyecto, se trabajará con la impresora 3D Original Prusa i3 MK3S+. Figura 2.4 Impresora Original Prusa i3 MK3S +. [6]. Dicha impresora posee una sonda para la nivelación de la cama mediante malla automático, sonda que también nivela la base mediante malla para compensar las imperfecciones microspcópicas de la lámina de impresión. Antes de cada impresión, la impresora sondea la cama en varios lugares y crea un mapa virtual del área de impresión. Sobre la cama de impresión tiene una lámina magnética que es fácil de mantener y extraíble para la extracción del objeto impreso de la superficie de impresión. La impresora puede recuperarse completamente de la pérdida de energía y continuar imprimiendo exactamente donde la dejó, detectando interrupciones de energía y apagando la base calefactable y el extrusor sin dejar de guardar la última posición conocida. Además, cuenta con un sensor de filamento incorporado que utiliza un sistema de activación fiable, que detecta si una hebra de hilo de filamento está insertada en el extrusor. En la tabla 2.1 se especifican los parámetros técnicos de la impresora Prusa. 2.4 Materiales de impresión 3D 7 Tabla 2.1 Parámetros técnicos de la impresora. Volumen de impresión (mm3)20x20x20 Altura de capa (mm)0.05-0.35 Diámetro del Nozzle (mm)0.4 (por defecto) Diámetro del filamento (mm)1.75 Velocidad máxima de desplazamiento (mm/s)200 Temperatura máxima de la boquilla (ºC) 300 Temperatura máxima de la base (ºC) 120 Extrusor Extrusión directa Superfice de impresión Láminas de acero magnético desmontables Medio de impresión Tarjeta SD Fuente de alimentación (W) 240 2.4 Materiales de impresión 3D Los materiales de impresión 3D están estrechamente relacionados con los procesos de impresión 3D. Cada proceso de impresión 3D es compatible con diferentes materiales. Los plásticos (tanto termoplásticos como termoestables) son los más comunes, seguidos de los metales y en cierta medida de los polvos. También se pueden imprimir en 3D algunos materiales compuestos y cerámicos. 2.4.1 Tipos de materiales de impresión 3D Plásticos Los plásticos para impresión 3D son materiales ligeros en formato filamento con una amplia gama de propiedades físicas, adecuados tanto para fines de creación de prototipos como para algunas aplicaciones funcionales. Los plásticos son termoplásticos (con FDM o SLS), que suelen ser más adecuados para aplicaciones que requieren una buena apariencia visual. • Filamento PLA: Filamento de impresión 3D más común. Alta rigidez, buen acabado final y asequible. El PLA es un termoplástico biodegradable para la creación de prototipos no funcionales de bajo coste. Mejor acabado que el ABS, pero más frágil. No es apto para altas temperaturas. • Filamento ABS: Plástico común, con mejeros propiedades mecánicas y térmicas que el PLA. Excelente resistencia al impacto, superior al PLA pero con detalles menos definidos. • Filamento de Nylon: Se utiliza para sustituir piezas funcionales moldeadas por inyección; dispone de buena resistencia química. El nylon o poliamida (PA) es un termoplástico con excelentes propiedades mecánicas, alta resistencia química y a la abrasión. Es perfecto para aplicaciones funcionales. • Filamento PETG: Bueno para piezas mecánicas con alta resistencia al impacto y flexibilidad. El PETG es un termoplástico con propiedades mejoradas respecto al PLA, con alta resistencia al impacto y excelente resistencia química y a la humedad. El PETG puede ser esterilizado. • Filamento TPU: Material similar al caucho, adecuado para tubos, agarraderas, cierres y juntas. El TPU es un elastómero termoplástico de baja dureza. • Filamento ASA: Estabilidad a los rayos UV y alta resistencia química; material preferido para aplicaciones en exteriores. El ASA es un termoplástico con propiedades similares al 14 Capítulo 2. Estado de la cuestion Figura 2.9 Sección transversal de una extrusión. [6]. Figura 2.10 Superposición de perímetros. [6]. Capas sólidas: superior/inferior Las capas inferior y superior de los modelos suelen ser sólidas (totalmente rellenas). Está la posibilidad de establecer un grosor de pared mínimo, con gran utilidad al usar la función de altura de capa variable o un número de capas sólidas superior e inferior a imprimir. El relleno sólido superior es esencialmente un puente sobre el patrón de relleno. Por ello, muchas veces aparecerá un poco de pandeo en las primeras líneas de relleno sólidas. A menor relleno, mayor distancia de puente y mayor hundimiento. Para ello, aumentar el número de capas sólidas o utilizar una malla modificadora en las últimas capas antes del relleno sólido. Figura 2.11 Impresión con 1,2 3 y 5 capas superiores (de izquierda a derecha). [6]. En este trabajo, se trabajará con 3 capas sólidas supeior e inferior y con un patrón de relleno sólido rectilíneo 2.5 Ajustes de impresión 15 Espesor de carcasa vertical Es importante asegurar que el espesor de la carcasa es vertical. Esta opción añade un relleno completo cerca de las superficies inclinadas, resolviendo uno de los principales problemas del software de laminado antiguo: agujeros entre los perímetros en una superficie inclinada. Además, exiten varias opciones más como detectar paredes delgadas, puentes gruesos, detectar perímetros de puente, posición de la costura, entre otras ojustes más concretos que se han dejado con los valores predeterminados y más adecuados para el filamento usado PETG. 2.5.2 Material de soporte El material de soporte es uno de los aspectos más importantes para conseguir una impresión lo más óptima posible. Las impresoras 3D funcionan colocando una capa sobre otra capa de plástico en la que apoya, que se encuentra por debajo. El problema aparece cuando parte del modelo empieza en el aire sin tener ninguna capa por debajo, debiéndose agregar una estructura de soporte adicional. La clave se encuentra en variar la orientación del modelo o dividir el modelo en varias partes para reducir la cantidad de soporte necesario, tal y como se explicará en el capítulo de desarrollo para cada pieza. El programa de laminación puede detectar las áreas que necesitan apoyos y generarlas automáticamente. También es posible definir los soportes de forma manual usando: •Pintar soportes •Establecer y bloquear soportes Uno de los problemas que puede dar el usar soportes es que la estructura de soporte pueda costar más de lo normal extraerla de alguna de las partes, dejando las supeficies de la pieza con rugosidades y con necesidad de limarlas. Soportes en todos los sitios Los soportes pueden crecer tanto desde la base de la cámara de impresión como desde cualquier superficie del modelo. Esto asegurará que todos los voladizos y piezas que comiencen en el aire recibirán soporte, aunque pueda dar lugar a la aparición de pequeñas imperfecciones en las superficies desde donde crecen los soportes. Soportes en la base solamente En este caso solo se crearán soportes que comiencen en la base de la cámara de impresión. Figura 2.12 Soportes solo desde la base de impresión (izquierda). Soporten que apoyan en todas partes (derecha). [6]. 16 Capítulo 2. Estado de la cuestion Umbral de voladizo El valor del umbral de voladizo representa el ángulo más horizontal (medida desde el plano horizontal) que puede imprimir sin material de soporte, correspondiendo los 90ºcon el plano vertical. Cuanto menor sea este valor, menos soportes se generarán. En el capítulo de desarrollo se mostrará como en algunas partes se utilizarán umbrales de voladizo entre 0 y 5 grados, para que únicamente se coloque soporte en estas zonas prácticamente horizontales. Figura 2.13 Generación de soportes a partir de distintos umbrales de voladizo. [6]. Este hecho se puede observar en la figura 2.13. 1. Valor de umbral y cómo se mide 2. Umbral de voladizo de 55º 3. Umbral de voladizo de 35º 4. Umbral de voladizo de 15º Capas de balsa Las capas de balsa elevan al objeto un determinado número de capas, generándose material de soporte debajo de él. Posteriormente, es posible coger la balsa y despegarla de la pieza. •Distancia Z de contacto de la Balsa: Es la distancia vertical entre la balsa y el objeto. •Expansión de la balsa en el plano XY para mejorar la estabilidad. • Estilo. El valor por defecto de soportes de Rejilla tienen un área mínima bien definida, lo que las hace muy estables, aunque pueden salirse de las regiones que soportan a lo largo de las paredes del objeto. Por otro lado, los soportes Ajustados mantienen la forma del voladizo y no se salen de las paredes. El problema de esta última forma de soporte es la menor estabilidad de los pilares de apoyo altos y delgados. Para el presente trabajo, se ha utilizado estilo de soportes ajustados. • Distancia Z de contacto superior. Esta es la distancia vertical entre el objeto y la interfaz del material de soporte. 2.5 Ajustes de impresión 17 Figura 2.14 Soporte de rejilla (izquierda). Soportes ajustados (derecha). [6]. En caso de establecer dicho valor en 0, evitará que PrusaSlicer use el flujo para puente y la velocidad para la primera capa de objeto. Se ha optado por establecer esta distancia en 0.25 mm, de forma que los soportes puedan ser retirados de las piezas con facilidad sin causar mayores daños a las piezas de impresión. Figura 2.15 Distancia Z de contacto superior. [6]. • Distancia Z de contacto inferior. Similar a la distancia Z de contacto superior, pero en este caso para el hueco en la parte inferior de la torre de soporte ( esto es cuando los soportes comienzan en la parte superior de un modelo y no en la cámara de impresión) • Patrón. Se ha utilizado en todas las impresiones el patrón Rectilíneo por ser, generalmente, el más fácil de eliminar. Habría otras opciones como rejilla rectilínea opanal de abeja, más resistente y menos propenso a romperse durante la impresión en comparación con el relleno rectilíneo, pero más difícil de quitar. De nuevo, existen muchos más ajustes que no se han modificado al ser parámetros más avanzados y específicos que no tienen relevancia para el presente proyecto. 18 Capítulo 2. Estado de la cuestion 2.5.3 Velocidad volumétrica máxima La configuración de velocidad volumétrica máxima (MVS) es una de las funciones más relevantes de PrusaSlicer. Dicha configuración crea un administrador para la cantidad máxima de filamento que el laminador intentará empujar a través del fusor de la impresora 3D. El gran avance es que en lugar de que el usuario tenga que calcular un rango de velocidades para combinaciones de diferentes tamaños de boquillas, alturas de capa o anchos de estrusión, es posible especificar las velocidades y los ajustes que se requieran y, posteriormente, la MVS regulará las velocidades en el tiempo de corte y solo si es necesario. Velocidad volumétrica máxima = Altura de la capa x Ancho de extrusión x Velocidad Se pueden establecer valores de MVS tanto en la Configuración de impresión como en la Configuración de filamento. MVS en la configuración de impresión La velocidad volumétrica máxima en este apartado establece el valor de velocidad volumétrica máxima más general. Incluso si configuras el MVS en un valor más alto en la configuración del filamento, no se sobrepasrá este valor. Para la impresora usada, se establece en 200 mm/s. Esta opción se encuentra dentro de los ajustes del modo experto. MVS en la configuración del filamento Este valor está limitado por MVS establecido en la configuración de impresión, sin embargo, podría reducirlo a un valor más bajo. Los diferentes materiales de filamentos tienen diferentes características, ya que la viscosidad, rigidez y otros factores pueden reducir el rendimiento efectivo. En la siguiente tabla, se muestran algunos ejemplos de MVS según el filamente usado. Tabla 2.3 Velocidad volumétrica máxima para distintos filamentos. Filamento Velocidad volumétrica máxima PLA 15 ASA/ABS 11 PETG 8 BVOH/PVA(soportes solubles) 4 FLEX(TPU/TPE) 1-2.5 Como el material que se esta usando para el presente proyecto es PETG, la velocidad volumétrica máxima del filamento se fijará en 8 mm3/s 2.5.4 Posición de la costura Excepto cuando se imprime en modo jarrón en espiral, cada perímetro comienza y termina en algún punto inicial/final. Dicho punto crea una costura vertical visible en la pieza de impresión. Si la forma del objeto es cilíndrica será mas notoria dicha costura, en comparación con piezas que tengan esquinas afiladas. Para intentar ocultar lo máximo posible estos puntos, hay distintas formas de costura que se muestran a continuación. 2.5 Ajustes de impresión 19 Más cercano (Borde) Coloca las costuras en el borde más cercano de la capa actual. En caso de que el modelo tenga esquinas afiladas, la costura quedará perfectamente oculta en dichas esquinas. La elección del punto se realiza de modo que el punto de inicio sea el más cercano a la posición anterior del extrusor, por lo que esta opción se optimizará para viajes cortos. Figura 2.16 Costura más cercana al borde para objeto con esquina afilada y objeto cilíndrico. [6]. Alineado Se utilizará la misma lógica que el más cercano para encontrar los puntos candidatos de inicio/fin, pero elegirá el que esté más cerca del punto de inicio de la capa anterior. De esta forma se asegurará que la costura esté mayormente alineada en la pieza de impresión. Figura 2.17 Posición de la costura aleatoria frente a la alineada. [6]. Aleatorio Esta es el tipo de costura elegido para el presente trabajo. Consiste en que la impresora elegirá un punto diferente para cada capa, de forma que la costura no se note en ninguna parte concreta del objeto, apreciándose únicamente pequeños granos dispersos por la superficie. 20 Capítulo 2. Estado de la cuestion Es lógico que en caso de tener piezas con bordes/esquinas afiladas, la costura aleatoria no tendría mucho sentido, pues se vería menos la posición de costura más cercano o alineado, comentado anteriormente. Por la misma razón, al imprimir formas cilíndricas cin bordes afilados, la mejor opción sería la posición aleatoria de costura. Figura 2.18 Costura aleatoria en objeto afilado y en objeto cilíndrico. [6]. 2.5.5 Patrones de relleno Existen muchas opciones de relleno en Prusa, entre ellas, relleno giroide, cúbico, cúbico adaptativo, rectilíneo, rectilíneo alineado, rejilla, triángulos, estrellas, lineal, concéntrico, panal de abeja, entre otros. Para el mecanismo de estudio se ha elegido el relleno giroide. Es uno de los rellenos más utilizados ya que proporciona un gran soporte en todas las direcciones. Además, tiene una impresión rápida y no se cruza en una capa. Sus principales características son: •Misma fuerza en todas las direcciones •Velocidad de impresión rápida •Buena relación resistencia/peso •Aspecto de calidad •Es posible rellenarlo con resina u otro líquido Figura 2.19 Patrón de relleno giroide. [6]. 2.5 Ajustes de impresión 21 2.5.6 Falda y Balsa Falda La falda es el contorno impreso alrededor del objeto en la cámara de impresión. Aparece en todas las impresiones antes que comience a formarse el objeto y su principal función es estabilizar el flujo del filamento a través de la boquilla. También sirve para poder comprobar la adherencia de la primera capa a la cámara de impresión. El número de bucles mínimo se puede ajustar a 0 para desactivar por completo la falda. En este caso se establece 1 bucle. La distancia del objeto (distancia entre la falda y los objetos) se establece en 2 mm y la altura de la falda, es decir, el número de capas de falda que se imprimirán, se fija en 3 capas. Figura 2.20 Falda alrededor de los objetos en la cámara de impresión. [6]. Balsa La balsa también es un material de adhesión adicional en la cámara de impresión. Esta se usa principalmente en los siguientes dos casos: •Objetos altos con una base pequeña •Varios objetos pequeños a la vez Es posible seleccionar el tipo de borde de la balsa, que, en este caso, se ha seleccionado solo borde exterior. Figura 2.21 Balsa solo en el borde exterior de los objetos en la cámara de impresión. [6]. 22 Capítulo 2. Estado de la cuestion 2.6 Metodología para la impresión 3D Primer paso - Creación del contenido Lo primero en la impresión 3D es crear un archivo digital tridimemsional del objeto que queremos imprimir. La forma más habitual de crear un modelo digital es el diseño asistido por ordenador (CAD). En el caso de estudio, se utilizara el programa de diseño CATIA V5R19. Segundo paso - Conversión a formato STL Una vez terminado el diseño CAD, es el momento de enviarlo a la impresora. Para ello, es necesario convertirlo en un formato de archivo adecuado. El formato de archivo de impresión 3D más común se llama STL, que significa STereoLitograpgy, y recibe su nombre del primer proceso de impresión 3D. Las alternativas a STL son .OBJ,.3MF y.stp. Este último será el formato usado ya que conseguía una mejor calidad en la superficies circulares. Hay que tener en cuenta que todos esos formatos de archivo no contienen información de color. Para imprimir en 3D a todo color, es necesario utilizar formatos de archivo como .X3D, .WRL, .DAE, .PLY. Tercer Paso - Rebanado (Slicing) Este es el proceso de traducir el archivo 3D en instrucciones para que la impresora 3D las ejecute. Para ello se necesita un software especial laminador. En este caso se empleara el software PrusaSlicer 2.5.0. Básicamente el Slicing consiste en dividir o cortar el modelo 3D en cientos o miles de capas horizontales, diciéndole a la máquina con exactitud lo que debe hacer, paso a paso. Una vez que se ha dividido el modelo 3D en las distintas capas, se genera un nuevo formato de archivo llamado G-Code, con la extensión de archivo .gcode. El código G es el lenguaje de progrmación de código numérico más utilizado, sobre todo en la fabricación asistida por ordenador para controlar máquinas-herramientas automatizadas como las impresoras 3D y los CNC (controles numéricos por ordenador). Cuarto Paso - La impresión Las máquinas de impresión están formadas por muchas piezas móviles e intrincadas; estas exigen un mantenimniento y una calibración correcta para producir impresiones satisfactorias. La mayoría de las impresoras 3D no necesitan ser supervisadas una vez que la impresión ha comenzado. La máquina seguirá las instrucciones automatizadas del código G, así que mientras no haya un error de software o la máquina no se quede sin materia prima, no debería haber problemas durante el proceso de impresión. Quinto paso - Extracción de las piezas de la impresora La extracción de las piezas acabadas de la impresora varía según las diferentes tecnologías de impresión 3D. En algunos casos, como en las máquinas de sobremesa, es tan sencillo como separar la impresión de la plataforma de construcción. 2.6 Metodología para la impresión 3D 23 En el ámbito de impresoras 3D industriales, la retirada de una pieza es un proceso técnico que requiere habilidades profesionales y equipos especializados en un entorno controlado. Sexto Paso - Post-procesamiento En este caso concreto, el post-procesamiento de las piezas impresas 3D variará según las tecnologías de impresión 3D y los materiales con los que se imprimieron las piezas. En la mayoría de los casos, las piezas impresas en 3D son rugosas y no tienen un tacto perfecto, pero pueden mejorarse con las técnicas y artesanías adecuadas. Mediante el lijado, la pintura, el pulido y otros métodos de post-procesamiento, las piezas impresas pueden convertirse en un modelo real del concepto inicial. Cuando no se trata de la estética, sino que las propiedades mecánicas son el objetivo principal, pueden tener lugar diversos procesos industriales. El post-procesamiento puede ser una operación crítica que requiera mucho tiempo, pero a medida que la tecnología evoluciona, la automatización de esos pasos continúa. Se muestra a continuación el diagrama de flujos seguido para el proceso descrito anteriormente. Figura 2.22 Diagrama de flujos para proceso de impresión 3D. 30 Capítulo 3. Caso de estudio 3.1.1 Listado de piezas En la siguiente tabla es posible ver el listado de piezas del mecanismo del que se parte, así como la cantidad de cada una de ellas. Tabla 3.1 Listado de piezas del mecanismo. NÚMERO NOMBRE CANTIDAD 1 Carcasa Inferior 1 2 Carcasa Superior 1 3 Cigüeñal 1 4 Biela 1 5 Biela Inferior 1 6 Casquillo biela-cigüeñal 2 7 Pistón 1 8 Casquillo biela-pistón 1 9 Cilindro biela-pistón 1 10 Tornillo M16 8 11 Tuerca M16 8 12 Arandela M16 16 13 Tornillo M4 2 14 Tuerca M4 2 15 Arandela M4 4 16 Casquillo cojinete exterior 4 17 Casquillo cojinete interior 4 18 Casquillo guía 2 19 Casquillo guía salida 1 Estos números de piezas se corresponden con los de la siguiente imagen. (Ver plano 0). Figura 3.2 Explosionado del mecanismo de estudio. 3.1 Mecanismo de estudio 31 3.1.2 Cigüeñal El cigüeñal es usado en muchos ámbitos de la mecánica, por ejemplo, en los motores diésel, cuyo principio es el mecanismo de biela-manivela, donde transforma el movimiento rectilíneo alternativo en circular uniforme y viceversa, mismo principio que en el presente proyecto. En este caso de estudio, el cigüeñal estará formado por dos semicigüeñales y la muñeca de unión de estos dos, tal y como se observa en la siguiente imagen. Figura 3.3 Diseño del cigüeñal en Catia V5. Como se ha comentado, el cigüeñal es el responsable directo de la transformación del movimiento giratorio en movimiento lineal. Para realizar dicha función, el cigüeñal debe estar unido a la biela justo debajo de la conexión con el pistón. Por tanto, en un bloque motor y en el mecanismo actual de estudio, el cigüeñal está justo debajo de la conexión con las bielas que, a su vez, están debajo de los pistones. 32 Capítulo 3. Caso de estudio 3.1.3 Biela La biela es la pieza encargada de conectar el cigüeñal con el pistón. Es decir, se definiría como el elemento mecánico que, mediante tracción o compresión, transmite el movimiento a través de la articulación de otras partes de una máquina o motor. La biela ha de ser muy resistente a temperaturas y tensiones, pero a su vez debe ser ligera en la medida de lo posible al ser un elemento móvil. Los materiales más usuales pueden ser aleaciones con base de acero, titanio o aluminio, utilizándose en casi todos los casos el forjado y, en menor medida, el mecanizado. Está formada por tres partes principales: • Cabeza de la biela: Parte con el orificio de mayor tamañano y que abraza a la muñeca del cigüeñal. Actúa como una abrazadera con dos mitades. Una está unida al cuerpo y la otra (sombrerete), se une al cuerpo con tornillos y tuercas M4. Dicha abrazadera sujetará un casquillo biela-cigüeñal metálico que posteriormente abrazará la muñequilla del cigüeñal. •Cuerpo: Parte central alargada que debe soportar mayores tensiones. • Pie: Pieza que abraza el eje del pistón y que cuenta con menor diámetro que el de la cabeza. En el se introduce un casquillo biela-pistón a presión que, posteriormente, alojará un cilindro biela-pistón metálico cuya función será unir la biela al pistón. Figura 3.4 Diseño de la biela en Catia V5. Por cuestiones de material empleado y alcance de este proyecto, no se fabricarán ninguno de los casquillos del mecanismo, ya que no cumplirían su función en este tipo de fabricación. 3.1 Mecanismo de estudio 33 3.1.4 Pistón Para poner en contexto la función de los pistones, en un motor, estos son piezas hechas de hierro fundido, hierro forjado o aleaciones de aluminio-níquel, que transmiten al cigüeñal la fuerza resultante de la presión provocada por los gases en expansión durante el proceso de combustión de la mezcla de aire combustible. El pistón, también conocido como émbolo, se mueve de manera alternativa normalmente dentro de un cilindro, interactuando con un gas o fluido. Estos se sujetan a la biela por su parte media y su estructura debe tener unas características específicas de peso, para evitar desequilibrios, y conductividad térmica, para resistir el efecto de las altas temperaturas. Por tanto, este componente móvil es transferir la fuerza de expansión del gas a través de la biela al cigüeñal. Dicho movimiento es rectilíneo-alternativo.De esta forma, el pistón, al igual que las demás partes móviles deberá estar fabricado con materiales capaces de resistir la presión y la temperatura que se generan. Figura 3.5 Diseño del pistón en Catia V5. 34 Capítulo 3. Caso de estudio 3.1.5 Carcasa Inferior y Superior La carcasa inferior es la base sobre la que apoyan las piezas del mecanismo.; esta formada por dos ranuras donde encajan los anillos inmovilizadores del cigüeñal. En la base de la carcasa, hay dos placas rectangulares de apoyo con taladros para poder fijar el mecanismo a una mesa de trabajo, por ejemplo. También cuenta con cojinetes interiores y exteriores para mejorar el apoyo y giro del cigüeñal. En estos apoyos también habrá casquillos que mejoren el movimiento circular del cigüeñal con la menor fricción posible. Estos casquillos no se diseñarán ya que, para el caso de estudio y con el material de trabajo empleado, no cumplirían su función.En mitad de la carcasa, se encuentran unos apoyos guía del cigüeñal que tendrán sus respectivos casquillos guía y que no serán fabricados por los motivos anteriormente descritos. Figura 3.6 Diseño de la carcasa Inferior en Catia V5. Por otro lado, la carcasa superior termina de cerrar la caja que contiene todas las piezas del mecanismo, uniéndose y fijándose a la carcasa inferior con la tornillería M16 a través de sus 8 taladros. Finalmente, se observa que esta carcasa cuenta con el orificio por el cual el pistón realizará su movimiento rectilíneo alterniativo. De nuevo, habría un casquillo guía de salida que no se fabricará. Figura 3.7 Diseño de la carcasa Superior en Catia V5. 4 Desarrollo Una vez conocido en profundidad el mecanismo de estudio, es el momento de adaptar las distintas partes y piezas del mismo con el objeto de fabricarlo mediante impresión aditiva. Para ello, se harán divisiones y modificaciones en las piezas del mecanismo, según sea conveniente, así como puede ser necesarió variar los parámetros de laminación en cada caso. Es importante tener en cuenta en este apartado que las dimensiones máximas de impresión no podrán superar los 20x20x20 cm de largo, ancho y alto. El mecanismo inicial excedía las dimensiones máximas en algunas partes; es por ello que se le ha aplicado una reducción a todas las piezas del 40%. Para ello, se ha utilizado la orden scaling de CATIA en los tres ejes espaciales, con un ratio de 0.6. Figura 4.1 Mecanismo con escala de reducción aplicada. 35 36 Capítulo 4. Desarrollo 4.1 Modificación de las partes 4.1.1 Cigüeñal-Muñeca En el caso del cigüeñal, sería posible la impresión como una única pieza colocándolo en la diagonal de la placa, pero esto implicaría el gasto de mucho material de soporte. Por tanto, se ha dividido el cigüeñal en tres partes, la muñeca central y cada mital del cigüeñal en sí. De esta forma, y colocando cada mitad de cigüeñal en la placa tal y como se muestra a continuación, se evita el gasto masivo de soportes y se asegura una fabricación más firme de la pieza. Para la muñeca, esta se coloca de forma vertical con soporte únicamente en el lado que se apoya en la placa. Es necesario tener en cuenta la posterior unión de estas partes para que conformen una única pieza. Para ello, se le ha hecho un agujero no pasante en la base de unión del cigüeñal con la muñeca, con forma semicircular, de diámetro 10 mm. La muñeca encajará en dicho semicírculo con un diámetro de 4.88 mm. La forma de la unión asegura que el eje del cigüeñal permanezca fijo sin posibilidad de modificarse. Por otro lado, ambos anillos inmovilizadores se han reducido 0.6 mm, de 1.8 mm a 1.2 mm, de esta forma se garantiza un juego de holgura necesario para el funcionamiento del cigüeñal en el mecanismo. Con el mismo fin, ambos ejes, el más fino y el de mayor grosor, han reducido su diámetro 0.2 mm. (Ver plano 1). Figura 4.2 Colocación del cigüeñal en la cámara de impresión. Tras cuatro horas y media de impresión, se obtienen las tres partes previstas con sus respectivos soportes pendientes de ser extraídos. Se observa tanto la laminación de las piezas como la impresión de las mismas. 4.1 Modificación de las partes 37 Figura 4.3 Laminación del cigüeñal. Figura 4.4 Impresión del cigüeñal con los soportes necesarios. 38 Capítulo 4. Desarrollo 4.1.2 Biela En el caso de la biela, esta no requiere ninguna modificación/adaptación a la hora de imprimirla. Se puede observar como la biela se divide en dos partes, la inferior y la superior. Esta división permite el posterior montaje con la muñeca del cigüeñal que, a traves de dos tornillos M4 y sus respectivas tuercas, unirán biela inferior y superior como una única pieza. El agujero superior de la biela permitirá la unión de la misma al pistón a través de un cilindro. (Ver plano 2). Figura 4.5 Colocación de la biela en la cámara de impresión. 4.1 Modificación de las partes 39 Figura 4.6 Laminación de la biela. Figura 4.7 Impresión de la biela. 46 Capítulo 4. Desarrollo 4.1.6 Carcasa superior La carcasa superior ha sido adaptada de forma que esta no requiera demasiado soporte para su impresión; así se logrará un gran ahorro de material. La adaptación ha consistido en una serie de costillas interiores en forma de arco que permiten la impresión completa de la carcasa colocándose únicamente soportes en aquellas superficies que formen un máximo de 5 grados con la horizontal. Como se observa en la imagen del laminado, se ha conseguido la impresión completa de la carcasa superior sin ningún soporte. Las costillas permiten que todo el volumen interior nunca alcance esta inclinación crítica. De nuevo, la posición en la cámara de impresión se ha elegido de forma que se ahorre la mayor cantidad de material posible. Además, la adaptación con costillas se ha hecho para que estas no se vean una vez montado el mecanismo y teniendo en cuenta que ningún elemento intersecte en el interior del mecanismo con las mismas. (Ver plano 7) Figura 4.17 Colocación de la carcasa superior en la cámara de impresión. Visualización de las costillas. Tras una larga espera de más de 1 día, se obtiene la carcasa superior impresa con muy buenos resultados, tal y como se puede apreciar en la imagen. 4.1 Modificación de las partes 47 Figura 4.18 Laminación de la carcasa superior sin necesidad de ningún soporte. Figura 4.19 Impresión de la carcasa superior. 48 Capítulo 4. Desarrollo Si nos centramos en las costillas realizadas, este consta de una costilla central que es tangente a la superficie cuando llega al agujero donde se produce el movimiento alternativo del pistón. A partir de esta costilla central, hay otras diez más a cada lado de la misma. Todas ellas presentan un grosor de 3 mm (comprobar) y diseñadas para que sean tangentes a la superficie superior de la carcasa en su punto más alto, evitando así la necesidad de soportes, que era la idea principal que se perseguía. Figura 4.20 Visualización de las costillas impresas de la carcasa superior. Se puede observar como la parte más crítica ha sido con la fabricación del agujero del pistón (presenta hilos y algunas zonas con imperfecciones), pues llega un momento que casi no hay apoyo para seguir haciendo láminas. Sin embargo, mediante el postprocesado de la carcasa y con el riguroso diseño de las costillas se han conseguido muy buenos resultados. 4.1 Modificación de las partes 49 4.1.7 Tornillería M16 Diseño de la tornillería M16 Para ir terminando con las distintas piezas del mecanismo, se han diseñado también los tornillos, tuercas y arandelas que componen el mecanismo. En esta sección se trata en concreto la tornillería M16. Esta se usa para poder cerrar ambas carcasas entre sí. A continuación se detalla como se ha realizado con CATIA V5 el ranurado helicoidal de dicha tornillería. 1. Tornillos M16: Como es sabido, en CATIA V5 es posible detallar la métrica del tornillo deseado pero, a la hora de visualizarlo en el diseño o en la impresión, no se apreciará dicho ranurado. Es por ello que se le ha diseñado "manualmente" en CATIA V5. Partiendo del diseño del tornillo, colocamos un punto en la superficie inferior del tornillo a partir del cual comenzará el ranurado. Con el módulo de superficies, se crea a partir de dicho punto una hélice alrededor del tornillo con las siguientes especificaciones de paso y altura. Figura 4.21 Proceso de diseño ranurado de tornillos. Colocación punto de referencia para inicio de la hélice. 50 Capítulo 4. Desarrollo Una vez creada dicha hélice, con el módulo de diseño se crea un plano normal a la curva creada con inicio en el primer punto también creado. En dicho plano se dibujará, con centro en el punto, un sketch de referencia con el perfil que realizará el ranurado. En este caso, se eleige una circunferencia que permita un juego más suave y eficaz a la hora de enroscar con la tuerca. Finalmente, con dicho perfil y eligiendo como curva central la hélice mencionada, se realiza un slot que permite obtener el tornillo ranurado. Figura 4.22 Proceso de diseño ranurado de tornillos. Ranurado mediante slot con perfil circular. 2. Tuercas M16 De forma similar se actuará en el caso de la tuerca. Teniéndose ya hecho el diseño de la tuerca, se sitúa un punto de referencia para el inicio del ranurado interior. A partir de dicho punto y con el módulo de supercies, se crea una hélice interior a la tuerca con las siguientes especificaciones de paso y altura. A continuación, se crea un plano normal a la curva con inicio el punto de referencia crado. Con un sketch de posición se crea el perfil del ranurado deseado. Al igual que con el tornillo, el perfil de ranurado será una circunferencia, del mismo diámetro, 1.25 mm. Además, el paso de la hélice deberá ser el mismo que en el tornillo, 2 mm. Es importante destacar que si tornillo y tuerca presentan exactamente el mismo diámetro, estos no roscarán ya que deben tener una mínima tolerancia que permita la rosca entre ambos. 4.1 Modificación de las partes 51 Figura 4.23 Proceso de diseño ranurado interior de tuerca. Colocación punto de referencia para inicio de la hélice. Para el caso de roscas de Métrica M16,tras varios intentos, se concluyó que la mejor tolerancia era rebajar el diámetro exterior del tornillo 1.5 mm, es decir, a 14.5 mm, consiguiéndose así un buen ajuste entre ambos. Por otro lado, el mecanismo ha sufrido una reducción del 40%, luego las dimensiones reales de impresión no corresponden con unas dimensiones estandarizadas; el mecanismo original sí: la métrica M16 de la tuerca pasaría a ser una métrica de 9.6 mm y el diámetro exterior del tornillo compatible para el buen ajuste con la tuerca, de 8.7 mm. 3. Arandelas M16 En el caso de las arandelas, a estas se les dá un aumento del diámetro de 0.25 mm respecto a los 16 mm de la métrica de la tuerca. Con la aplicación de la escala, el diámetro del agujero interior se fija en 9.75 mm. Es decir, la tolerancia respecto al diámetro exterior del tornillo es de + 0.15 cm. (Ver plano 5). A continuación se muestra una tabla con las principales medidas de estas tres piezas, tanto para la original como para la reducida: Tabla 4.1 Dimensiones principales de la tornillería M16 original y reducida. D nominal (mm)Paso (mm)D agujero (mm)D ext. torn.(mm)D int. arand.(mm) Original M16 2 13.835 14.5 16.25 Reducción 9.5 2 8.3 8.7 9.75 52 Capítulo 4. Desarrollo Figura 4.24 Proceso de diseño ranurado de tornillos. Ranurado mediante slot con perfil circular. Impresión tornillería M16 Una vez que se tienen definidas todas las dimensiones para los tornillos, tuercas y arandelas, además de sus pertinentes roscas, es momento de imprimirlos mediante el proceso que se viene practicando en todos los casos anteriores. Figura 4.25 Colocación en la cámara de impresión de la tornillería M16. 4.1 Modificación de las partes 53 Estas piezas al ser sencillas, en principio no deberían necesitar ningún tipo de soporte, siempre y cuando los tornillos apoyen la base de su cabeza en la cámara de impresión. Además, al ser las dimensiones de estos elementos reducida, es posible realizar en una sola impresión toda la tornillería M16, tal y como se muestra en las siguiente imagen. Consiguiéndose, como se puede comprobar con las piezas físicamente, que tornillo-tuerca encajan y roscan con un buen acabado final. Figura 4.26 Laminación de la tornillería M16. (a) Tornillo-tuerca sin roscar. (b) Tornillo-tuerca roscados. Figura 4.27 Impresión de un tornillo-tuerca M16. 54 Capítulo 4. Desarrollo 4.1.8 Tornillería M4 Diseño de la tornillería M4 De una forma totalmente similar, en esta sección se muestra el diseño de la tornillería M4. En este caso,la finalidad es distinta a la anterior, ya que lo que se pretende es obtener dos tornillos que permitan la unión de la biela con su parte inferior. Debido a las dimensiones tan pequeñas de estas piezas y teniendo en cuenta las limitaciones de la impresora de trabajo, se va a prescindir del diseño y la impresión de las arandelas, además del uso de una sola tuerca para cada tornillo. La idea es que, una vez montada la biela con la muñeca del cigüeñal como eje, ambas partes de la biela no puedan separarse. Al ser el tornillo tan fino y llevar, además, un ranurado, la posibilidad de desmontarse continuamente podría dañar la pieza O incluso romperse. A continuación se detalla como se ha realizado con CATIA V5 el ranurado helicoidal de dicha tornillería. 1. Tornillos M4 Una vez más, partiendo del diseño del tornillo, colocamos un punto en la superficie inferior del tornillo a partir del cual comenzará el ranurado. Con el módulo de superficies, se crea a partir de dicho punto una hélice alrededor del tornillo con las siguientes especificaciones de paso y altura. Una vez creada dicha hélice, se crea un plano normal a la curva creada con inicio en uno de los puntos de referencia. En dicho plano se dibujará, con centro en el punto, un sketch de referencia con el perfil que realizará el ranurado. De nuevo se elige una circunferencia que permita un juego lo más eficaz posible a la hora de enroscar con la tuerca. Finalmente, con dicho perfil y eligiendo como curva central la hélice mencionada, se realiza un slot que permite obtener el tornillo M4 ranurado. 2. Tuercas M4 Teniéndose ya hecho el diseño de la tuerca, se sitúa un punto de referencia para el inicio del ranurado interior. A partir de dicho punto y con el módulo de supercies, se crea una hélice interior a la tuerca con las siguientes especificaciones de paso y altura. A continuación, se crea un plano normal a la curva con inicio el punto de referencia creado. Con un sketch de posición se crea el perfil del ranurado deseado. Al igual que con el tornillo, el perfil de ranurado será una circunferencia, del mismo diámetro, 0.2 mm. El paso de la hélice deberá ser el mismo que en el tornillo, 0.7 mm. Como se decía en el apartado de tornillería M16, si tornillo y tuerca presentan exactamente el mismo diámetro, estos no roscarán ya que deben tener una mínima tolerancia que permita la rosca entre ambos. Para el caso de roscas de Métrica M4, como se ha comentado, no se pretende obtener un juego tornillo-tuerca suave que permita su continuo desmontaje, sino que se busca la fijación de ambas partes de la biela una vez montadas con la muñeca del cigüenal. Se concluyó que la mejor tolerancia era rebajar el diámetro exterior del tornillo a 3.2 mm, 4.1 Modificación de las partes 55 Figura 4.28 Proceso de diseño ranurado de tornillos M8. Colocación punto de referencia para inicio de la hélice. consiguiéndose así un ajuste que permitiera la rosca de ambas piezas de una forma bastante fija. Por otro lado, el mecanismo se ha reducido al cuarenta por ciento, luego las dimensiones reales de impresión no corresponden con unas dimensiones estandarizadas; el mecanismo original sí: la métrica M4 de la tuerca pasaría a ser una métrica de 2.4 mm y el diámetro exterior del tornillo compatible para el buen ajuste con la tuerca, de 1.92 mm. A continuación se muestra una tabla con las principales medidas de estas tres piezas, tanto para la original como para la reducida. (Ver plano 6). Tabla 4.2 Dimensiones principales de la tornillería M4 original y reducida.. D nominal (mm)Paso (mm)D agujero (mm)D ext. torn.(mm) Original M4 0.7 3.242 3.2 Reducción 2.25 0.7 1.95 1.92 62 Capítulo 5. Resultados 5.1.3 Prueba del mecanismo y reajuste del diseño del pistón En la primera prueba que se realizó con el mecanismo ya montado, el pistón se quedaba atascado cuando este intentaba realizar su carrera ascendente desde su punto más bajo a su punto más alto. Se estudió el problema y se dedujo que, como ya se ha comentado en el capítulo 4, el problema se encontraba entre la biela y el pistón. Debido a que la abertura del pistón (en la que la biela lo empuja hacia arriba) era demasiado elevada, al pistón le daba lugar a descentrarse del eje del agujero por el que realiza su movimiento rectilíneo-alternativo. Reduciéndose dicha abertura a la mitad de altura, este problema se eliminó, consiguiéndose el buen funcionamiento y, por tanto, la finalización completa del mecanismo. Figura 5.4 Reajuste en el diseño de la abertura del pistón. Figura 5.5 Diseño de la abertura del pistón reducida. 5.2 Tiempo empleado y materiales de impresión 63 5.2 Tiempo empleado y materiales de impresión 5.2.1 Cálculo del tiempo toal de laminación A continuación, se mostrará una tabla que recogerá una estimación deel tiempo total en el que se ha estado laminando con la impresora, teniéndose en cuenta las distintas piezas del mecanismo así como los tiempos de prueba que han requerido algunas piezas. Tabla 5.1 Estimación del tiempo de laminación de cada pieza. Nombre de la pieza Tiempo/unidad Repeticiones necesarias Cantidad Tiempo total Cigüeñal-Muñeca 4h 36min. 3 1 18h 24min. Biela 32min. 0 1 32min. Pistón 2h 49min. 1 1 5h 38min. Cilindro Biela-Pistón 10 min. 2 1 30 min. Carcasa inferior 24h 0 1 24h Carcasa superior 34h 1 1 68h Tornillo M16 reducido 24min. 3 8 4h 24min. Arandela M16 reducida 2min. 0 16 32min. Tuerca M16 reducida 12min. 3 8 2h 12min. Tornillería M4 reducida 10min. 1 1 20min. En la tabla anterior: •Tiempo/unidad: Timepo de laminación de una pieza. • Repeticiones necesarias: Número de veces que ha sido necesario volver a imprimir una pieza, ya sea por hacer pruebas o por hacerle modificaciones. •Cantidad: Número de piezas iguales que son necesarias de imprimir. • Tiempo total. Tiempo estimado total que se ha laminado una o varias piezas iguales. Se ha estimado con la siguiente expresión: Tiempototal = (Cantidad +Repeticionesnecesarias)∗Tiempo/Unidad Con la tabla anterior, es posible realizar una estimación del tiempo total de laminación del mecanismo, con tan solo sumar la columna de Tiempo total: Tiempototallaminacin =125h Este resultado es equivalente al número de horas que, aproximádamente, ha estado en funcionamiento la impresora. 64 Capítulo 5. Resultados 5.2.2 Cálculo de la cantidad de material utilizado. De forma similar al tiempo de laminación de cada pieza, PrusaSlicer proporciona la cantidad e filamento que se ha necesitado para imprimir una pieza. Tabla 5.2 Estimación de la longitud de filamento utilizado para cada pieza. Nombre de la pieza Longitud de filamento Repeticiones necesarias Cantidad Longitud total Cigüeñal-Muñeca 13.42 m 3 1 53.68 m Biela 0.94 m 0 1 0.94 m Pistón 6.14 m 1 1 12.28 m Cilindro Biela-Pistón 0.3 m 2 1 0.9 m Carcasa inferior 89.34 m 0 1 89.34 m Carcasa superior 113.11 m 1 1 226.22 m Tornillo M16 reducido 0.66 m 3 8 7.26 m Arandela M16 reducida 0.11 m 0 16 1.76 m Tuerca M16 reducida 0.4 m 3 3 4.4 m Tornillería M4 reducida 0.13 m 1 1 0.26 m En la tabla anteriormente mostrada: •Longitud de filamento: Longitud de filamento necesario para la impresión de una pieza. • Repeticiones necesarias: Número de veces que ha sido necesario volver a imprimir una pieza, ya sea por hacer pruebas o por hacerle modificaciones. •Cantidad: Número de piezas iguales que son necesarias de imprimir. • Longitud total. Longitud estimada total que ha sido necesaria para laminar una o varias piezas iguales. Se ha estimado con la siguiente expresión: Longitudtotal = (Cantidad +Repeticionesnecesarias)∗Longitudfilamento De nuevo es posible estimar la longitud de filamento que en total se ha utilizado fabricando este mecanismo: Longitudtotalf ilamento =390m 6 Conclusiones El propósito del presente trabajo de fin de grado ha sido iniciarse en el mundo de la fabricación aditiva. Además, este proyecto ha ayudado a comprender la importancia en las adaptaciones o mejoras necesarias en el diseño CAD para fabricar piezas, así como la necesidad de tener en cuenta holguras y ajustes entre las distintas piezas del mecanismo. Para ello, se ha partido del diseño de un mecanismo con CATIA V5. Se han adaptado cada una de las partes para, posteriormente, ser fabricadas con una impresora Prusa MK3S+, gracias al programa de laminación PrusaSlicer 2.5.0. Finalmente, se han ensamblado y montado cada una de las piezas hasta conseguir el funcionamiento objetivo del mecanismo: tranformar el movimiento circular en el movimiento rectilíneo-alternativo de un pistón. Además de aprender todo el proceso necesario para fabricar un prototipo, se ha conseguido la impresión de la carcasa superior del mecanismo sin la necesidad del uso de soportes. Para ello, se han diseñado una serie de costillas internas. Sin embargo, el tiempo y gasto de material utilizado en dicho soporte se ha usado en la fabricación de las costillas, por lo que no se ha ahorrado gran cantidad de material/tiempo. En lo que concierne a la tornillería, se ha comprobado que es posible la obtención de tornillos y tuercas con roscas mediante la impresión 3D, siendo dichas roscas diseñadas en CATIA con el módulo de superficies, creando un helicoide externo (tornillos) o interno (tuercas) en el eje correspodiente y, posteriormente, diseñando un ranurado con el helicoide como curva central y un perfil circular que permita, en la mayor medida posible, la rosca entre tornillo-tuerca. Aunque el paso tornillo-tuerca era el mismo para ambos, se ha tenido que establecer una tolerancia para que el tornillo puediese roscar en el agujero correspondiente, disminuyendo el diámetro del tornillo con respecto a la tuerca. Finalmente, hay ciertas piezas del mecanismo que no se han fabricado ya que su uso no tiene sentido en este caso de estudio con los materiales empleados, pues dificultarían más el movimiento entre las piezas; son el caso de los casquillos, presentes en el cigüeñal, el pistón, la biela o los casquillos guía. Estas piezas sí son fundamentales en mecanismos reales de, por ejemplo, el motor de un coche, ya que protegen a la pieza y permiten su libre giro con una resistencia mínima. Siguiendo esta línea de trabajo de fabricación aditiva, hay una serie de aspectos que se podrían tener en cuenta o profundizar para mejorar los resultados obtenidos, ya que se ha realizado una configuración de impresión ajustando unos parámetros básicos, en su mayoría, y algunos más avanzados. Además, en casi todos los casos, estos ajustes han sido los mismos. Por tanto, se podrían estudiar y configurar otras opciones de laminación más avanzadas/expertas y adecuarlas para cada impresión en función de los requerimientos del prototipo que se desea fabricar, sobre todo en las piezas de menor tamaño. 65 Índice de Figuras 2.1 Impresión de logotipo 3D. [2] 4 2.2 Impresión por adición de polímeros.[3] 5 2.3 Impresión por fotosolidificación.[3] 5 2.4 Impresora Original Prusa i3 MK3S +. [6] 6 2.5 Ficha técnica del filamento PETG utilizado. [12] 9 2.6 Aparición de hilos durante la impresión 11 2.7 Tiempos de impresión y resolución para distintas alturas de capa. [6] 12 2.8 Perímetros de una pieza. Fuerza de impresión. [6] 13 2.9 Sección transversal de una extrusión. [6] 14 2.10 Superposición de perímetros. [6] 14 2.11 Impresión con 1,2 3 y 5 capas superiores (de izquierda a derecha). [6] 14 2.12 Soportes solo desde la base de impresión (izquierda). Soporten que apoyan en todas partes (derecha). [6] 15 2.13 Generación de soportes a partir de distintos umbrales de voladizo. [6] 16 2.14 Soporte de rejilla (izquierda). Soportes ajustados (derecha). [6] 17 2.15 Distancia Z de contacto superior. [6] 17 2.16 Costura más cercana al borde para objeto con esquina afilada y objeto cilíndrico. [6] 19 2.17 Posición de la costura aleatoria frente a la alineada. [6] 19 2.18 Costura aleatoria en objeto afilado y en objeto cilíndrico. [6] 20 2.19 Patrón de relleno giroide. [6] 20 2.20 Falda alrededor de los objetos en la cámara de impresión. [6] 21 2.21 Balsa solo en el borde exterior de los objetos en la cámara de impresión. [6] 21 2.22 Diagrama de flujos para proceso de impresión 3D 23 2.23 Primer uso de CATIA para la creación del avión de combate Mirage. [10] 24 2.24 Pantala de inicio del Software Laminador PrusaSlier 2.5.0 25 2.25 Opciones de la herramienta "Soportes pintables" 26 2.26 Barra de herramientas superior en PrusaSlicer 27 3.1 Mecanismo de estudio 29 3.2 Explosionado del mecanismo de estudio 30 3.3 Diseño del cigüeñal en Catia V5 31 3.4 Diseño de la biela en Catia V5 32 3.5 Diseño del pistón en Catia V5 33 3.6 Diseño de la carcasa Inferior en Catia V5 34 3.7 Diseño de la carcasa Superior en Catia V5 34 67 68 Índice de Figuras 4.1 Mecanismo con escala de reducción aplicada 35 4.2 Colocación del cigüeñal en la cámara de impresión 36 4.3 Laminación del cigüeñal 37 4.4 Impresión del cigüeñal con los soportes necesarios 37 4.5 Colocación de la biela en la cámara de impresión 38 4.6 Laminación de la biela 39 4.7 Impresión de la biela 39 4.8 Colocación del pistón en la cámara de impresión 40 4.9 Laminación del pistón con los soportes necesarios 41 4.10 Impresión del pistón aún no modificado 41 4.11 Colocación del pistón en la cámara de impresión 42 4.12 Laminación del pistón con los soportes necesarios 43 4.13 Impresión del pistón 43 4.14 Colocación de la carcasa inferior en la cámara de impresión 44 4.15 Laminación de la carcasa inferior con los soportes necesarios 45 4.16 Impresión de la carcasa inferior con los soportes extraídos 45 4.17 Colocación de la carcasa superior en la cámara de impresión. Visualización de las costillas 46 4.18 Laminación de la carcasa superior sin necesidad de ningún soporte 47 4.19 Impresión de la carcasa superior 47 4.20 Visualización de las costillas impresas de la carcasa superior 48 4.21 Proceso de diseño ranurado de tornillos. Colocación punto de referencia para inicio de la hélice 49 4.22 Proceso de diseño ranurado de tornillos. Ranurado mediante slot con perfil circular 50 4.23 Proceso de diseño ranurado interior de tuerca. Colocación punto de referencia para inicio de la hélice 51 4.24 Proceso de diseño ranurado de tornillos. Ranurado mediante slot con perfil circular 52 4.25 Colocación en la cámara de impresión de la tornillería M16 52 4.26 Laminación de la tornillería M16 53 4.27 Impresión de un tornillo-tuerca M16 53 4.28 Proceso de diseño ranurado de tornillos M8. Colocación punto de referencia para inicio de la hélice 55 4.29 Proceso de diseño ranurado de tornillos M4. Ranurado mediante slot con perfil circular 56 4.30 Proceso de diseño ranurado interior de tuerca M4. Colocación punto de referencia para inicio de la hélice 56 4.31 Proceso de diseño ranurado de tornillos M4. Ranurado mediante slot con perfil circular 57 4.32 Colocación en la cámara de impresión de la tornillería M4 57 4.33 Laminación de la tornillería M4 58 5.1 Ensamble Cigüeñal-Biela-Pistón 60 5.2 Ensamble de ambas carcasas y del pistón con la carcasa superior 61 5.3 Unión de las carcasas mediante la tornillería correspondiente. 61 5.4 Reajuste en el diseño de la abertura del pistón 62 5.5 Diseño de la abertura del pistón reducida 62 Índice de Tablas 2.1 Parámetros técnicos de la impresora 7 2.2 Parámetros de impresión con PETG 12 2.3 Velocidad volumétrica máxima para distintos filamentos 18 3.1 Listado de piezas del mecanismo 30 4.1 Dimensiones principales de la tornillería M16 original y reducida 51 4.2 Dimensiones principales de la tornillería M4 original y reducida. 55 5.1 Estimación del tiempo de laminación de cada pieza 63 5.2 Estimación de la longitud de filamento utilizado para cada pieza 64 69 Bibliografía [1] Adeva, R. (2023, 9 marzo). 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