Impresion 3d Proyecto Final 40451d

Prototipos Rapidos

M.C Luis Fernando Gonzalez Gutierrez

Impresión 3D

Indice 1.0

Introducción ...................................................................................................................................... 2

2.0

Concepto de Rapid Prototyping y diferentes tecnologías ................................................................ 3

3.0

Generalidades del Proceso de Impresión 3D .................................................................................... 7

3.1

Impresión 3D mediante inyección de aglutinante en cama de polvo .......................................... 8

3.2

Componentes de la maquina de impresión 3D............................................................................. 9

3.3

Descripción detallada del proceso .............................................................................................. 10

3.4

Tipos de software utilizados en la impresión 3D ........................................................................ 12

3.5

Tolerancias dé la impresión 3D ................................................................................................... 15

3.6

Materiales ................................................................................................................................... 16

4.0

3.6.1

Polvos .................................................................................................................................. 16

3.6.2

Aglutinantes ........................................................................................................................ 17

3.6.3

Infiltrantes ........................................................................................................................... 18

Proveedores de equipos ................................................................................................................. 18

4.1 Descripcion especifica de modelos de otras marcas ........................................................................ 21 4.1.1 Solid escape 076 plus ................................................................................................................. 21 4.1.2 Solid escape R66 plus ................................................................................................................ 22

5.0

4.1.3

Objet24 ............................................................................................................................... 23

4.1.4

Objet 260............................................................................................................................. 24

Detalles del diseño .......................................................................................................................... 25

5.1 Armazon ............................................................................................................................................ 25 5.2 Mecanismo........................................................................................................................................ 28 5.3 Medidas y diemensiones de la maquina........................................................................................... 31 6.0 Referencias............................................................................................................................................ 32

Erick Falcon Alva

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Diego Hildeberto Cruz Mendez

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Prototipos Rapidos

1.0


Impresión 3D

Introducción

A finales de los 60’s, Herbert Voelcker, profesor de ingeniería en la universidad de Rochester, ahora en la Universidad de Cornell, se dio un tiempo de descanso, en el cuál se preguntó cómo hacer “cosas interesantes” con el control computarizado y automático que se empezó a desarrollar en esos tiempos. Voelcker quería encontrar una manera de tomar las salidas de diseños de programas de computadoras y y utilizarlos para programar máquinas herramientas automáticas. Lo primero que hizo Voelcker fue desarrollar herramientas matemáticas básicas para describir espacios tridimensionales. El resultado fue la teoría matemática y algoritmos para el modelado en sólido, que hoy en día es la base de los programas de computadora utilizado para diseñar sistemas mecánicos, juguetes, autos hasta rascacielos. Durante el 1970, Voelcker transformó la forma en que los productos eran diseñados, más sin embargo la forma en la que eran hechos, era la misma, un maquinista o una máquina controlada por computadora, eliminaría el exceso de una pieza grande de metal hasta que se obtuviera la forma deseada, muy parecido a como Miguel Ángel removió pedazos de mármol de un bloque hasta que lo convirtió en la estatua del David. Fue en 1987, en la Universidad de Texas, el investigador Carl Deckard, trajo una mejor idea. En vez de realizar una pieza, cortando pedazos de un gran trozo de material, ¿Por qué no construirlo capa por capa? Deckard se imaginó “imprimiendo” modelos tridimensionales, utilizando un laser que fundiera polvo metálico en prototipos sólidos, una capa a la vez.

Deckar presentó su idea a la NSF (National Science Foundation), quien le otorgó un presupuesto de $50,000 dólares para SGER (Small Grant for Exploratory Research) para alcanzar lo que él llamó, “sinterizado selectivo láser”. El resultado de los esfuerzos de Voelckers y Deckard’s han sido de gran importancia para el desarrollo de la nueva industria llamada “free form fabrication” o “rapid prototyping” (Prototipado Rápido) lo cual ha revolucionado la forma en que los productos se diseñan y manufacturan.

Erick Falcon Alva

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Concepto de Rapid Prototyping y diferentes tecnologías

El Prototipado Rápido, como ya se indico, podemos concebirlo como un conjunto de tecnologías, que permiten la obtención de prototipos, machos, moldes de inyección para plásticos, electrodos de erosión, etc., en menos de 24 horas a partir de un fichero CAD. Consecuencia de esta rapidez de respuesta, es que el tiempo de desarrollo de un producto puede reducirse a la mitad, la quinta e incluso la décima parte. El prototipado rápido (RP por sus siglas inglesa de Rapid Prototipe) da la posibilidad de efectuar, en un tiempo relativamente corto, diversas pruebas de geometrías distintas para una pieza, validar la geometría definitiva, y acometer la producción en serie rápidamente, con unos costes de desarrollo lo más ajustados posibles. La complejidad de las piezas o la confidencialidad de los prototipos son también argumentos frecuentes a la hora de optar por el RP. Dentro de la denominación de "prototipado rápido" no se suele incluir al Mecanizado de Alta Velocidad (MAV) que, sin embargo, es una tecnología sustractiva para mecanizar piezas o moldes a altas velocidades de arranque de viruta. El MAV se empieza a aplicar a piezas de acero tratado, lo que evita el paso por la electroerosión. Mecanizando directamente del bloque hasta la pieza terminada, la reducción de los tiempos de acabado y pulido puede llegar a un 90%. Bajo el nombre de prototipado rápido se agrupan a una serie de tecnologías distintas de construcción de sólidos. Todas ellas parten del corte en secciones horizontales paralelas de piezas representadas en CAD. Estas secciones caracterizan a todas las tecnologías de prototipado rápido, que construyen las formas sólidas a partir de la superposición de capas horizontales. El software de CAD y la máquina de prototipado rápido se conectan a través de una interfaz de información llamada formato STL (STereoLitography).

Conversión de Formatos

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El formato STL permite una aproximación de la forma de una parte o un ensamble completo utilizando facetas triangulares. Entre más pequeñas sean dichas facetas, mayor será la calidad de la superficie.

A continuación vendrían las tecnologías conocidas como Fused Deposition Modeling (FDM) de la empresa americana Stratasys, Solid Ground Curing (SGC) de la israelí Cubital e Laminated Object Manufacturing (LOM), todas en 1991. La tecnología FDM hace una extrusión de filamentos de materiales termoplásticos capa por capa, semejante a la estereolitografía, solo que utilizando un cabezal de fusión del material en vez de un cabezal láser. SGC también trabaja con resina foto sensible a rayos UV, solo que solidifica cada capa en una única operación a partir de la utilización de máscaras creadas con tinta electrostática en una placa de vidrio. LOM solidifica y corta hojas de papel (actualmente hojas de termoplásticos reforzados con fibras) usando un láser controlado por ordenador.

Proceso FDM.

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Proceso de Sintetizado por Laser SLS

Proceso LOM

En 1993, la americana Soligen comercializo el producto conocido por Direct Shell Production Casting (DSPC), que utiliza un mecanismo de inyección de tinta para depositar líquido emulsionante en polvos cerámicos para producir cascas que a su vez pueden ser utilizadas en la producción (de moldes y piezas inyectadas en Al, proceso desarrollado y patentado por el MIT Massachussets Institute of Technology).

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Otras empresas que han desarrollado tecnologías de RP:

-

ModelMaker de la empresa americana Sanders Prototype, usando sistema de inyección de cera ( ink-jet wax); Solid Center de la empresa japonesa Kira Corp., utilizando un sistema láser guiado y un plotter XY para la producción de moldes y prototipos por laminación de papel. Sistema de estereolitografía de la empresa Fockele & Schwarze (Alemania); Sistema EOSINT, de la empresa alemana EOS, basado en sinterización. Sistema de estereolitografía de la empresa japonesa Ushio.

Ventajas y desventajas del prototipado rápido

Ventajas Disponibilidad inmediata del modelo físico optimización del diseño Identificación rápida de problemas por verificación del modelo en la etapa de desarrollo Reduccion de costos y plazos Disponibilidad de productos para marketing

Desventajas Volumen de producción muy bajo Pobre variedad de materiales y propiedades mecánicas. Alto costo por unidad Alto costo del equipo de prototípico Tolerancias limitadas (según la tecnología usada)

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3.0


Impresión 3D

Generalidades del Proceso de Impresión 3D

Impresión 3D es el proceso de generar objetos sólidos en tres dimensiones a partir de un modelo digital. Esto es logrado mediante el uso de procesos aditivos, en los que el objeto es creado depositando sucesivamente capas de material. La impresión 3D se diferencia de los procesos tradicionales de maquinado (procesos sustractivos) que constan de la acción de remover material por medio de taladrado, corte, etc. La impresión 3D es usualmente realizada por una impresora de materiales utilizando tecnología digital. Desde el inicio del siglo ha habido un gran incremento en las ventas de estas máquinas y su precio ha caído substancialmente. Esta tecnología es utilizada en los campos de joyería, calzado, diseño industrial, arquitectura, ingeniería y construcción, industria automotriz, industria aeroespacial, industrias dental y médica, educación, sistemas de información geográfica, ingeniería civil entre otras. Terminología La manufactura aditiva (AM) también conocida como impresión 3D está definido por la ASTM como el “proceso de unión de materiales para generar objetos sólidos a partir de los datos del modelo 3D, por lo general capa sobre capa, a diferencia de metodologías de fabricación sustractivos, tales como el mecanizado tradicional”. El término de manufactura aditiva describe las tecnologías que se pueden utilizar en cualquier lugar en todo el ciclo de vida del producto, desde la pre-producción (es decir, prototipado rápido) a la producción a gran escala (también conocida como la fabricación rápida) e incluso para aplicaciones de herramientas de personalización o de post-producción. En la industria manufacturera, especialmente en la de mecanizado, los métodos sustractivos a menudo son primero. De hecho, el término de fabricación sustractiva es un retronimo desarrollado en los últimos años para distinguir los métodos tradicionales, de las nuevas técnicas de manufactura aditiva. A pesar de que la fabricación ha incluido métodos que son esencialmente "aditivos" durante siglos (como la unión de planchas, láminas, forjados, laminados y el trabajo a través de remaches, tornillos, forja soldadura, o nuevos tipos de soldadura), no se incluyó la definición de modelos basados en las tecnología de la información, y la provincia de mecanizado (generando formas exactas con una alta precisión) que fue general sustractivo.

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Impresión 3D mediante inyección de aglutinante en cama de polvo

Le impresión en polvo es una tecnología adicional que puede fabricar físicamente objetos a partir de información digital. Esta tecnología fue desarrollada en el MIT (Massachusetts Institute of Technology) y en 1995 la empresa Z Corporation obtuvo una licencia exclusiva para la fabricación de equipo basado en esta tecnología.

Impresora Z650 ZCorporation

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Impresión 3D

Componentes de la maquina de impresión 3D

Interior de una impresora 3D con sus partes principales

A) Filtro de aire automático: se encarga de que todo el polvo permanezca en el interior de la maquina emitiendo, únicamente aire limpio en la oficina o taller. B) Cartucho de aglutinante: Contiene el adhesivo a base de agua que solidifica el polvo.

C) Cubeta de construcción: el área donde se crea el modelo. D) Carro: se desplaza a lo largo del puente para colocar los cabezales de impresión.

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E) Compresor: genera aire comprimido para retirar el polvo de los modelos terminados. F) Filtro de residuos: evita que entren residuos solidos en la tolva durante el reciclado de polvo posterior a la impresión garantizando la limpieza de la siguiente impresión.

G) Caja de componentes electrónicos: procesador integrado que controla el funcionamiento de la Zprinter. H) Puente: barra horizontal que avanza y retrocede para generar las capas del modelo.

I)

Tolva: contiene el polvo con el que se crea el modelo.

J)

Deposito: recoge el aglutinante de los cartuchos y lo transfiere al puente.

K) Estación de mantenimiento: limpia automáticamente los cabezales de impresión cuando es necesario. L) Válvula de vacío: El cerebro del sistema de retirada de polvo, que aspira la cama de impresión, controla el sistema de desbordamiento, retira el polvo de la estación de mantenimiento y aspira el polvo del sistema para reintroducirlo en la tolva.

3.3

Descripción detallada del proceso

Como en muchos procesos de prototipado rápido, la parte que va a ser construida esta hecha por muchas secciones delgadas del modelo 3D. Un inyector (muy parecido al de una impresora convencional) se mueve a través de la cama de polvo. Selectivamente se inyecta el líquido aglutinante en la forma de la sección. Una capa fresca de polvo es después esparcida sobre el modelo y el proceso se repite hasta terminar con todas las capas de la pieza a fabricar. Cuando el Modelo esta completo, el polvo sin aglutinante que no esta adherido a nada, es removido automáticamente. La velocidad de fabricación es de aproximadamente 1 pulgada vertical por hora. A esta tecnología se le refiere en muuchas ocasiones como impresión 3D.

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Proceso de impresión

1. Cuando el hace click en “3D Print”, la Zprint calienta y rellena de material la cubeta de construcción y, si fuera necesario, alinea automáticamente los cabezales de impresión.

2. Comienza el proceso de impresión. La impresora 3D Zprinter comienza a impresión del modelo, esparciendo una capa de polvo composite por todo el lecho de construcción de forma lisa y uniforme.

3. Es cartucho de impresión se desplaza por esta capa, aplicando aglutinante (y las diferentes tintas si el modelo es a color) según el patrón del primer corte transversal creado por el Zprint. El aglutinante solidifica el polvo en la sección del modelo, dejando el resto del polvo para su reciclaje.

4. Después de cada capa el pistón de la cubeta de construcción desciende, quedando preparado para la siguiente capa de polvo. Los pasos 2,3 y 4 se repiten hasta que se termina el modelo. 5. Una vez terminado, el modelo queda reposando en el polvo para su curación. Al final del tiempo de curado la maquina aspira la mayoría del polvo sobrante y lo recicla para su uso en la futuras impresiones.

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6. Una vez impreso el modelo debe proceder a infiltrarlo para conseguir una mejor consistencia y durabilidad. Dispone de una variedad de opciones de infiltrantes según sus necesidades. Entre las opciones se incluye agua para las aplicaciones básicas como modelo de formas, Z-Bond para modelos de carácter general, e-poxy Z-max para prototipos funcionales o piezas reales. Y tp500 infiltrante especialmente diseñado para piezas color blanco. Los prototipos basados en Z-max se han utilizado como piezas de producción en operaciones roboticas subacuáticas, como piezas mecánicas en piezas de calzado, y como piezas automáticas funcionales en partes de motores en funcionamiento.

3.4

Tipos de software utilizados en la impresión 3D

La primera fase en la protipacion rápida es tener un modelo 3D en formato con extensión STL. Existe una infinidad de software de modelado 3D que se podría usar con este propósito, entre los más comunes están:

CATIA: Es un programa informático de diseño, fabricación e ingeniería asistida por computadora comercial realizado por Dassault Systèmes. El programa está desarrollado para proporcionar apoyo desde la concepción del diseño hasta la producción y el análisis de productos.

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SolidWorks: Es un programa de diseño asistido por computadora para modelado mecánico desarrollado en la actualidad por SolidWorks Corp., una subsidiaria de Dassault Systèmes, para el sistema operativo Microsoft Windows. Es un modelador de sólidos paramétrico. Fue introducido en el mercado en 1995 para competir con otros programas CAD como Pro/ENGINEER, NX, Solid Edge, CATIA, y Autodesk Mechanical Desktop.

Autodesk Inventor: Es un paquete de modelado paramétrico de sólidos en 3D producido por la empresa de software Autodesk. Compite con otros programas de diseño asistido por computadora como SolidWorks, Pro/ENGINEER, CATIA y Solid Edge. Entró en el mercado en 1999, muchos años después que los antes mencionados y se agregó a las Series de Diseño Mecánico de Autodesk como una respuesta de la empresa a la creciente migración de su base de clientes de diseño mecánico en dos dimensiones hacia la competencia, permitiendo que los computadoras personales ordinarias puedan construir y probar montajes de modelos extensos y complejos.

Todos estos software permiten la exportación del modelo 3D al formato STL necesario para el siguiente paso de la impresión 3D. Cabe destacar que la facultad de ingeniería mecánica y eléctrica de la UANL posee licencias del software solid Works en sus laboratorios de diseño.

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Impresión 3D

La siguiente fase de la impresión 3D es importar el modelo tridimensional STL en el software de la impresora. El software usado es el ZPrint. El Zprint sirve para seccionar el modelo 3D automáticamente e importarlo a la impresora 3D la cual lo convertirá en un modelo físico.

Un software adicional a este es el Zedit, el cual sirve para editar nuestros modelos 3D. Por ejemplo en el software Zedit se pueden añadir fixtures o etiquetas entre varias otras cosas.

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Tolerancias dé la impresión 3D

La tecnología de impresión 3D con la impresora Zcorp, es una de las tecnologías mas rápidas del mercado. Llega a superar a otras tecnologías en ahorro de tiempo de hasta 10 veces menor. La Z510 (impresora 3D con la que se cuenta en el laboratorio de prototipos rápidos) imprime hasta 2 capas de material por minuto. A continuación las especificaciones técnicas más importantes de la ZCorp 510:



Velocidad de impresión: 2 capas por minuto



Tamaño máximo de construcción: 10in x 14in x 8in (254mm x 356mm x 203mm)



Grosor de las capas: de 0.0035in a 0.008in (.089mm a .203mm)



Opciones de material: Compuesto de alto rendimiento, elastómero, o vaciado directo.



Resolución: 600 x 540 dpi



Numero de cabezales de impresión: 4



Dimensiones del equipo: 42in x 31in x 50in (107cm x 79cm x 127cm)



Peso del equipo: 450lb (204 kg)



Sistemas de Software: Z Corporation’s proprietary software accepts solid models in STL, VRML PLY, and 3DS file formats as input. ZPrint™ software features 3D viewing, text labeling, and scaling functionality. The software runs on Microsoft Windows* NT, 2000 Professional, XP Professional and Vista.

En la práctica nuestros profesores nos han comentado que siempre hay que evitar hacer partes o bordes en las piezas donde el grosor sea menor a 3mm. Ya que en la practica se ha observado que estas áreas se fracturas fácilmente, o ni siquiera sobreviven al proceso de impresión.

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Materiales

3.6.1 Polvos 3D Systems ofrece diversos sistemas en composites/aglutinantes/infiltrantes, para satisfacer diferentes necesidades. Entre ellos se encuentran composites de alto rendimiento, para la impresión de piezas sólidas en alta definición. Para proporcionar mayor flexibilidad, los modelos impresos con los materiales se pueden lijar, perforar, taladrar, pintar y galvanizar. Compuestos de alto rendimiento zp150 es la mejor línea de polvos de impresora que maneja la marca Zcorp. Entre las principales ventajas están:     

Piezas más sólidas Mejor resolución Blancos más blancos Excelente precisión del color Bajo coste por pieza impresa

Comparación de piezas hechas en el nuevo polvo de alto rendimiento zp150 frente a su antigua versión el zp131.

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3.6.2 Aglutinantes Las impresoras 3D utilizan diferentes tipos de "tinta" según el tipo de composite que vayan a utilizar. De este modo, existen aglomerantes con distintos nombres comerciales (zb59, zb58, zb56,...) que tienen una mezcla adecuada para trabajar con los distintos tipos de composite. Sin embargo, la característica principal que distingue a estas tintas es el color. Aglomerante monocromo. Se utiliza en las impresoras monocromas. Permite obtener piezas de un sólo color (blanco yeso). Existen variaciones que permiten obtener piezas de otro color, pero siempre un color único: Gris, Cian, Magenta o Amarillo. Aglomerante en color (Cian, Magenta, Amarillo y Transparente). Es el conjunto de aglomerantes que se utilizan para producir piezas a todo color. Las tintas se mezclan como si de una impresora de chorro de tinta en color se tratara para obtener un amplio espectro de colores.

ZB51: Aglutinante transparente ideal para realizar modelos Flexibles. Es compatible con el polvo zp15e y la línea de impresoras 3D spectrum de Zcorp. ZB60: Aglutinante transparente para modelos rígidos. Es compatible con Los polvos zp150 y la línea de impresoras Spectrum de Zcorp. Garrafa de aglutinante Para a impresión a color se necesita usar una línea especial de cartuchos denominados Zb61. Vienen en una gran variedad de colores por ejemplo: amarillo negro y magenta. Mediante la combinación de estos 3 colores la impresora puede formar muchos mas.

Cartucho de tinta para impresión a color

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3.6.3 Infiltrantes

4.0

Proveedores de equipos

La tecnología de impresión 3D por inyección de aglutinante sobre cama de polvo es exclusiva de la empresa ZCorp y es la única con los derechos legales para producir maquinaria de estas características. De cualquier modo existen otros tipos de impresoras 3D las cuales son una seria competencia para esta empresa y su tecnología. A Continuación los principales proveedores de impresoras 3D con sus respectivos modelos:

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4.1 Descripcion especifica de modelos de otras marcas 4.1.1 Solid escape 076 plus The D76PLUS 3D printer is the flagship of Solidscape's new preXacto™ product line. It is targeted at medium size dental laboratories and is used to produce high quality castable and pressable restorations.

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4.1.2 Solid escape R66 plus

The R66PLUS is the entry to Solidscape's point BenchMark™ Series of 3D printers. Targeted at the progressive custom retail jeweler, the R66PLUS is capable of producing high-quality, fully castable wax masters for your most intricate fine jewelry designs. And with new S™ technology, the R66PLUS is truly the jeweler's benchmark for quality.

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4.1.3 Objet24

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4.1.4 Objet 260

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Detalles del diseño

A continuación se proponen una seria de mejoras para la maquina de prototipado rápido ZCorp 510, la cual es una impresora 3D basada en tecnología de aglutinante sobre cama de polvo. Una de las principales mejoras es una tapa de vidrio que permita observar mejor el funcionamiento de la maquina, parte de esta mejora con fines meramente estéticos.

5.1 Armazon Las medidas generales de la maquina son muy parecidas a las de la maquina original a excepción de la altura la cual aumento de 127 cm a 150cm.

Vista isométrica de la impresora propuesta.

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Vista frontal

Vista isométrica aérea

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Vista lateral

Vista interna

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de control Se decidio que el de control no debería tener mas botones mas que el de un simple arranque paro, por que todo será controlado por software. Esto también permite hacer ahorros importantes en material y procesos de manufactura. Ademas que le da mas simplicidad a la maquina.

5.2 Mecanismo

Vista con todos los componentes

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Vista lateral seccionada.

En esta vista se puede ver de manera mas clara la mejora propuesta. La maquina originalmente funciona mediante bandas dentadas que son movidas por motores a pasos. Nuestra mejora propone cambiar todas esas bandas por tornillos sinfines conectados al cabeza y a los motores a pasos.

Vista isométrica sin cubierta.

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Vista Frontal

En Esta imagen se puede apreciar el sinfín que mueve a todo el cabezal en dirección de izquierda a derecha. Por supuesto habrá ventajas y desventajas de esta remodelación. Pero esta tiene el objetivo de convertirla en una maquina de precisión sacrificando la velocidad. Nosotros calculamos que la precisión de los cabezales podría aumentar hasta 5 veces.

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Detalle de la caja de construccion

5.3 Medidas y diemensiones de la maquina

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6.0 Referencias http://www.bitsenimagen.com/101-que-es-la-impresion-en-3d-y-como-funciona http://idoc-pub.descargarjuegos.org/posts/noticias/102990/Y-esto-_-Impresoras-3D.html http://www.pruebayerror.net/2011/02/bio-impresoras-3d-imprimiran-piel-y-partes-del-cuerpohumano/ http://www.ikkaro.com/como-funcionan-armas http://www.slideshare.net/jvelasquezc/tecnologia-para-el-prototipado-rapido-impresoras-3d http://www.jogarplastics.com/prototiposrapidos.html?3e3ea140 http://www.zcorp.com/es/Products/3D-Printers/Advantages-of-3D-Printing/spage.aspx Erick Falcon Alva

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Overview 4q3b3c

More details 26j3b

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