Construyendo una impresora 3D. 5: Un poco de teoría.

Mientras esperamos a que lleguen las piezas que hayamos pedido a China, veamos un poco de teoría. 

¿Cómo funciona esto de la impresión 3d? 

El firmware de la impresora (el programa que lleva la placa controladora) sólo sabe seguir las instrucciones que se le envían. Estas instrucciones consisten principalmente en comandos de "muévete a tal posición", "calienta a tal temperatura, "extruye tanto filaento", y poco más. 

Estos comandos se envían en un lenguaje llamado "G Code". Tanto si vamos a imprimir por USB como si usamos una tarjeta SD, lo que se envía es g-code.  

Uno podría pensar que para descargar de internet un modelo para imprimir, tendría que buscar un archivo con ese g-code pero no es así. El g-code es muy específico de cada impresora porque incluye indicaciones de velocidades, temperaturas y hasta coordenadas que pueden ser diferentes. Por ejemplo en una impresora delta, el cero está en el centro mientras que en una cartesiana está en una esquina.  

Para crear el g-code, debemos usar un programa específico para ello. Hay varios disponibles pero los más usuales son cura y slic3r que son gratis. A demás tenemos simplify 3d pero es bastante caro. La función de estos programas es leer una imagen en 3D y "cortarla en rodajas".

Estos programas son los que deciden de qué manera se va a mover el pico extrusor de la impresora, cuánto plástico va a inyectar y cuánto, etc. Deberemos configurar de qué tamaño es el pico de la impresora y qué diámetro tiene el filamento. De esa anera podrá calcular cuántos milímetros de filamento tendrá que extruir en cada caso. 

A demás, deberemos decidir qué clase de relleno queremos que tenga nuestra impresión, ya que la mayoría de las veces no necesitamos un 100% de plástico sino que es preferible dejar huecos. Los programas tienen un montón de configuraciones diferentes por ejemplo para indicar la forma del relleno (cuadrados, triángulos, hexágonos, pirámides, tetraedros), la velocidad a la que se imprimirá la pared exterior y la interior, de qué grosor serán las paredes, etc. etc. 

La experiencia nos dirá qué es lo más conveniente en cada caso. 

Una vez que el programa ha hecho su trabajo nos entregará un archivo en formato g-code. Veamos un ejemplo de cómo queda el archivo que se genera:

;FLAVOR:RepRap;TIME:5305;Generated with Cura_SteamEngine 2.3.1M190 S60M104 S207M109 S207G21 ;metric valuesG90 ;absolute positioningM82 ;set extruder to absolute modeM107 ;start with the fan offG28 ;Home all axes (max endstops)G1 Z15.0 F9000 ;move the platform down 15mmG92 E0 ;zero the extruded lengthG1 F200 E3 ;extrude 3mm of feed stockG92 E0 ;zero the extruded length againG1 F9000;Put printing message on LCD screenM117 Printing...;LAYER_COUNT:393;LAYER:0M107G1 F2100 E-3.5G1 Z21G0 F2700 X-15.609 Y5.824 Z1.3;TYPE:SKIRTG1 Z.3G1 F2100 E0.8315G1 F1800 X-16.347 Y3.238 E0.96299G1 X-16.469 Y2.646 E0.99254G1 X-16.605 Y1.579 E1.04513G1 X-16.636 Y1.147 E1.06631G1 X-16.666 Y-.485 E1.14611G1 X-16.634 Y-1.072 E1.17485G1 X-16.36 Y-3.191 E1.27932G1 X-16.243 Y-3.763 E1.30786G1 X-15.804 Y-5.32 E1.38696G1 X-15.6 Y-5.881 E1.41614G1 X-14.716 Y-7.839 E1.52118G1 X-14.425 Y-8.371 E1.55083G1 X-13.554 Y-9.713 E1.62905G1 X-13.268 Y-10.101 E1.65262G1 X-12.237 Y-11.334 E1.7312G1 X-11.812 Y-11.77 E1.76097

¿Y de donde sacamos los modelos 3D?

Tenemos dos maneras de obtener modelso 3D: o los descargamos ya preparados de internet o los hacemos nosotros. Y dado que la impresión 3D está de moda, hay varios sitios especializados en esto. 

Algunas páginas venden los modelos y a veces muy caros, y otros lo tienen todo gratis. El más conocido de estos sitios es thingiverse pero hay varios más. Algunos no están especializados en impresión 3D sino simplemente en modelos 3D que pueden usarse para otras cosas. Algunos sitios que he encontrado son:

• http://www.thingiverse.com/
• https://www.myminifactory.com/
• https://www.youmagine.com
• https://sketchfab.com/
• http://libre3d.com/
• http://www.stlfinder.com/
• 3dprinter.dremel.com
• http://www.turbosquid.com/
• http://archive3d.net/
• http://tf3dm.com/
• https://clara.io/library

Finalmente, tenemos un buscador especializado en modelos 3D: Buscador: http://www.yeggi.com/

Programas como cura son capaces de leer varios formatos de imagenes 3D pero el más usual es el .stl así que ese es el que descargaremos generalmente:

Para crear nuestros propios modelos

Los archivos stl se pueden crear con muchas aplicaciones pero yo voy a recomendar dos que son gratuitas y funcionan muy bien. Para hacer figuras para ingeniería, basadas en formas geométricas y donde se requiere exactitud mi recomendación es FreeCad. Para aprender a usarlo hay unos excelentes cursos de Obijuan en youtube que recomiendo mucho.

Por ejemplo, en nuestras primeras pruebas con la impresora, nos va a venir muy bien imprimir un cubo de 10x10mm, el cual es muy fácil de hacer con FreeCad.

Cuando se trata de figuras más artísticas, lo que se requiere es un software más orientado a dibujos que a planos. Para este fin Blender 3D es una aplicación excelente aunque está orientado a artistas de gráficos digitales, películas, etc. Es muy profesional y no es fácil aprender a usarlo pero hay un montón de tutoriales en youtube de todos los niveles que queramos.

¿Y el firmware para la impresora?

Existen varias alternativas de firmware que podemos usar, aunque las más usuales suelen ser Repetier y Marlin. Yo personalmente después de investigar un poco, decidí usar Marlin pero no hay inconveniente en probar uno y otro y decidir. Lo podemos cambiar cuantas veces queramos.

En cualquier caso, no se trata simplemente de descargarlo y usarlo porque tenemos que configurar las características de nuestra impresora, desde el diseño (delta/cartesiana/polar) hasta la electrónica que tengamos. Una cosa importantísima es indicar los tamaños exactos de la impresora con precisión de décimas de milímetro. Los ajustes finos tendremos que hacerlos por prueba y error. 

Nos falta el hardware, entonces

Existen placas dedicadas especialmente para impresoras 3D pero, como todo lo específico, suelen ser comparativamente caras y para colmo lo que tienen esas placas es casi lo mismo que podemos hacer con un arduino mega y una placa ramps, así que eso es lo que usaremos en este proyecto. El arduino mega es una placa de diseño libre utilizada en muchísimos proyectos. Se consiguen originales y "clones" muy fácilmente y muy baratas así que ese será "el cerebro" de esta impresora. 

Para conectar fácilmente todos los sencsores y placas necesarias, le agregaremos una placa Ramps 1.4. Esta placa incluye muy poca electrónica activa. Sólo tres mosfets para controlar los calentadores y nada más. El resto son sólo capacitores y conectores.

A esta placa tenemos que agregarle los controladores poara los motores paso a paso. Es compatible con varios tipos de controladores pero yo utilizaré los basados en A4988 porque son más baratos.

Atención con estos controladores: llevan un pre-set para regular la corriente de los motores. Más adelante explicaré cómo se regulan porque existen documentos en internet que dan un cálculo que sólo es válido para algunas placas y no para otras.

Nos está quedando la pantalla. Se puede construir la impresora sin ella pero no son tan caras y realmente vale la pena. Yo he utilizado un módulo muy barato pero que funciona bien tomando los recaudos correspondientes, el "reprapdiscount full graphics smart controller".

Este módulo contiene tanto la pantalla como un lector de tarjetas SD, así que es todo lo que necesitamos. Se consigue muy barato aunque tiene un inconveniente: el acceso es bastante lento. Para que no provoque problemas durante la impresión hay que habilitar un parámetro en el Marlin, que evita actualizar la pantalla si no tiene tiempo para ello. Es un pequeño inconveniente porque así no vemos en pantalla la posición y temperatura actuales pero normalmente eso no es necesario.

Yo encontré un kit que incluía todas estas placas por un precio menor que el que costaría comprarlas por separado así que eso es lo que compré.

La gran mayoría de las impresoras 3D tiene unas placas con estas mismas funcionalidades pero integrando todo en una sola plaqueta.

Con respecto a la fuente, sirve cualquier fuente de PC pero como yo no tenía una disponible, compré una destinada a luces led. Es una fuenta de 12V y 180W que son más que suficientes para lo que va a necesitar la impresora.

(continuará... espero que pronto)

Construyendo una impresora 3D. 4:Carros verticales

Existen varias alternativas para el movimiento vertical pero yo me he decantado por la más económica, que consiste en pares de barras de acero con rodamientos lineales.

Lo común en impresoras 3D es usar barras de 8mm pero resulta que justamente por ser usual, tanto las barras como los rodamientos son notablemente más caros. Y dado que en este diseño las barras van en posición vertical, no van a soportar peso que las curve así que voy a usar barras de 6mm.

Con respecto a la altura, he optado por comprar barras de un metro y cortarlas por la mitad. Tal vez en una futura actualización las haga más altas pero es probable que en ese caso convenga usar unas más gruesas también. Así que voy a usar 3 barras de 6mm por 1 metro de largo cortadas por la mitad. También usaré 12 rodamientos lineales tipo LM6UU para que los carros se deslicen bien:

La colocación de las barras verticales es, obviamente atravesando los agujeros que dejamos en la tapa y la base:

Cuando la impresora está funcionando haremos unas piezas para fijar bien la posición de las barras sin necesidad de depender de los agujeros en las maderas. 

Carros móviles:

Sobre cada par de barras verticales se va a desplazar un carro móvil. Este carro después lo haremos de plástico con la impresora pero por ahora haremos una versión provisoria de madera. Si dispones de una impresora 3D te puedes saltar esta parte. Más adelante incluiré los diseños de estas piezas para imprimir.

Cada carro consistirá en un rectángulo de madera de 40 por 82mm y cuatro de 10 por 40mmk y cuatro rodamientos lineales tipo LM6UU.

Las cuatro maderas pequeñas irán pegadas con cola a la grande, sosteniendo los rodamientos en su posición. Pero atención: conviene montar el conjunto con las barras puestas y la separación correcta y mantenerlos bien fijos durante el secado del pegamento. Si medimos con un calibre la separación entre las barras, esta debe dar 44mm. 

Una vez que haya secado el pegamento de la madera, procederemos a pegar los rodamientos con la pistola de pegamento termofusible. Es importante que el carro se deslice perfectamente sobre las barras.

El siguiente paso será agregar unos soportes para enganchar las correas. Para esto haremos unos soportes de alambre que atravesarán la madera por dos agujeros y se ajustarán doblándolos por atrás. La forma será esta:

Estos soportes tendrán que ponerse a un costado del carro para dejar pasar libremente la correa. La pieza completa entonces quedará así:

El montaje final de los carros sería el siguiente:

No es importante que esto quede prolijo porque lo reemplazaremos en cuanto tengamos la impresora funcionando.

Ahora un poco de teiría...

Construyendo una impresora 3D. 3: La estructura de soporte

¿Qué hace falta para que una impresora 3D funcione bien? Una de las cosas más importantes para que no de problemas es que sea firme. Si vamos a poner columnas de soporte, lo ideal sería poder cruzar una barra en diagonal para formar triángulos porque es bien sabido que el triángulo es la forma más resistente. Una de las mayores causas de problemas en las impresoras 3D es las deformaciones de la estructura con el uso.

Pero claro, en un robot delta no hay donde poner barras en diagonal y como vamos a ahorrar todo lo posible, mi modelo va a ser de madera. Para hacerlo lo más firme posible las caras de los costados van a ser de maderas completas con una ventana abierta para dejar el hueco, no uniendo varias piezas. Así que el diseño será más o menos así:

Todas las partes que se ven en la imagen anterior serán de madera, sostenidas con tornillos para permitir desarmarla. Yo usaré MDF de 10mm pero se podría usar algo más firme como contrachapado.

Como se ve en la figura, la forma es un prisma hexagonal irregular. Las tapas son hexágonos formados por triángulos con las puntas truncadas (sólo para ahorrar espacio y porque es más estético).

En este artículo indicaré las medidas que he usado yo, pero cada uno puede decidir las medidas que quiera para la impresora. Hay que buscar un equilibrio entre el tamaño que ocupa el aparato y el tamaño de las piezas que pueda fabricar. Existe una página muy útil que permite simular el funcionamiento de la impresora y probar diferentes medidas. Recomiendo que la visites y juegues un poco. Con se mueve con las flechas y con shift+arriba/abajo.

Tapa superior y base:

Para construir estas piezas (dos iguales) necesitaremos dos maderas de 470mm de ancho por unos 420mm de alto. A partir de los dos extremos inferiores trazamos dos arcos de 470mm que se crucen para formar el vértice necesario para dibujar un triángulo equilátero:

Con este vértice y los extremos inferiores trazamos un triángulo rectángulo.

A continuación necesitamos marcar el centro del triángulo. Para eso lo mas fácil es marcar las alturas uniendo el centro de los lados con sus vértices opuestos. Bastaría con trazar dos de las alturas pero nos resultará útil tener las tres:

Para truncar las puntas trazamos en cada extremo arcos de 77mm:

Ahora podemos usar las intersecciones de estos arcos para trazar líneas por donde cortar la madera.

Con estas marcas ya se puede cortar la madera para obtener una forma así:

Finalmente trazaremos un círculo centrado en el medio del triángulo con un radio de 180mm de diámetro que nos servirá de guía para poner las barras verticales.

Agujeros:

En estas dos tablas necesitaremos agujeros para que pasen las correas y para las barras de acero (su uso se explica más adelante). Para esto utilizaremos el círculo que marcamos antes. Sobre éste deberemos hacer agujeros de 6mm separados entre ellos 50mm pero atención: en la tabla inferior los agujeros sólo deben penetrar un poco. Hasta la mitad es suficiente y en realidad estos agujeros son temporales porque cuando pongamos piezas impresas en 3D ya no serán necesarios. En la de arriba sí tienen que pasar completamente. Esto es lo único en que se diferencian las dos tablas.

Mucho cuidado: estos agujeros fijan (por ahora) la separación entre las barras verticales y si no son exactos dificultarán el movimiento de los carros. Es muy importante que tengan la separación correcta. 

Esto se debe repetir en las tres puntas del triángulo.

El siguiente agujero que hay que hacer es el de las correas como se indica en el siguiente diagrama:

De nuevo, esto se debe repetir en las tres puntas. El tamaño de estos agujeros no es muy importante. Sólo tiene que ser lo suficientemente grandes para que pasen las correas.

Paneles laterales:

Los paneles laterales son seis maderas que forman las paredes del prisma. Para los paneles laterales necesitaremos tres maderas de 655 por 315mm y tres de 655 por 77mm. Sobre la madera grande trazaremos un rectángulo a 155mm de la parte inferior y a 20mm de los lados y el borde superior.

Uno de los paneles grandes llevará a demás un hueco donde pondremos la pantalla pero haremos el agujero después, cuando tengamos lista la electrónica.

Y recuerda:

Ensamblaje:

El siguiente paso sería ir uniendo todo esto con tornillos. Se podría pegar pero es preferible mantener la posibilidad de desarmarlo. Como es importante la firmeza, lo mejores poner varios tornillos. En los lados largos yo puse cuatro, y en los cortos dos. Y es mejor utilizar tornillos para madera bastante largos para asegurar la sujeción pero no muy gruesos porque la madera es de 10mm y un tornillo grueso la puede abrir. Recomendación: primero hacer agujeros con una broca más fina que el tornillo.

Para esto no es necesario dar muchas instrucciones. Sólo recordar que la parte de arriba es la que tiene los agujeros pasantes.

El borde de la ventana de la tabla tiene que coincidir al ras con el hexágono. De esa forma nos aseguramos de que quede bien horizontal.

  

La colocación en triángulo de las maderas asegura que no habrá deformaciones de la estructura con el movimiento.

Siguiente paso: Los carros verticales

Construyendo una impresora 3D. 2:Elección del modelo de impresora

Dejando de lado los sistemas de impresión profesionales, existen varias alternativas a nuestro alcance. Las dos principales son las que imprimen depositando capas de plástico fundido mediante un pico extrusor, y las que generan la forma utilizando una resina que se endurece con luz. La calidad de impresión de estas últimas suele ser excelente pero la resina es cara y hay que proyectar la imagen de alguna forma, lo cual hace difícil conseguir un tamaño decente, así que yo me centraré en extrusión de plástico.

Dentro de las impresoras de plástico fundido hay dos modelos usuales aunque existe un tercero que es también interesante:

Impresoras cartesianas:

Consisten en un pico inyector de plástico que se mueve en ejes X, Y y Z mediante motores para cada uno de ellos. Lo más común es que conste de una base plana que se mueve adelante y atrás (eje Y) con un motor. El extrusor va montado en un carro que se mueve a izquierda y derecha (eje X) con otro motor y que sube y baja ya que el mecanismo del eje X va montado sobre unas guías verticales impulsadas, en general por dos motores (uno a cada costado).

La ventaja de este sistema es que es el más simple y el más usual (hay mucha documentación). La desventaja es que la base ocupa mucho espacio porque tiene que moverse hacia atrás tanto como sobresale hacia adelante. Un problema frecuente de este tipo de impresoras es que las piezas unidas con tornillos y tuercas pueden aflojarse con el uso y hay que estar recalibrando para que no falle la impresión. 

Impresoras delta:

Están basadas en el "robot delta", que consiste en 3 carros verticales montados en triángulo. De cada uno de ellos salen dos barras articuladas que se unen cada una a un par de articulaciones en el soporte del pico inyector.  La posición de cada uno de los tres carros móviles determina la ubicación en el espacio del punto donde se deposita el plástico.

El diseño es ingenioso y elegante. La ventaja de este sistema es que imprime bastante más rápido que las cartesianas porque las partes móviles son más livianas y hay menos inercia. La desventaja es que hay menos información y que es muy importante la simetría en las medidas. No tanto qué medidas se usen sino que sean iguales en las tres torres. No ocupa mucho espacio horizontal pero sí en vertical, ya que la altura útil para la impresión es menos de la mitad del total.

Impresoras polares:

Este sistema es muy poco usado y a mi criterio más complicado de fabricar. Consiste en una base giratoria y un brazo que puede moverse en línea recta o describiendo un arco centrado en un eje.

La ventaja es que ocupa el espacio justo. Menos que en los casos anteriores. Pero como desventaja, es muy poco usual y el software se basa en modificaciones de los existentes para las otras. Para hacer el giro suficientemente preciso necesitaría una buena reducción en el motor.

Modelo elegido

Después de considerar las alternativas yo he decidido construir un modelo delta. Principalmente por la velocidad y porque el mecanismo me parece es más elegante e ingenioso. Pero una advertencia: requiere bastante trabajo poner todo a punto.

Los problemas que tendremos para que la impresora funcione correctamente serán varios pero no es que las cartesianas tengan menos, sólo son distintos y tal vez más difíciles de evitar. 

Siguiente paso: La estructura de soporte

Construyendo una impresora 3D. 1: introducción

En los próximos artículos describiré el diseño y construcción desde cero de una impresora 3D. Su diseño será tal que se pueda construir con materiales que puedan conseguirse con relativa facilidad ya sea en tiendas locales o comprando por internet. También trataré de mantener los costos lo más bajos posiblse pero buscando una buena calidad de impresión

Para comenzar

La manera más sencilla de construir una impresora 3D es comprar un kit ya preparado con todos los componentes. Dejando de lado la opción de comprar una ya construida, es el camino más sencillo así que si no quieres complicarte la vida te recomiendo buscar un kit de Anet A8 que es muy popular, tiene un precio muy razonable (unos 150€) y se le pueden hacer mejoras fácilmente.

En mi caso, no voy a buscar el camino fácil sino que intentaré hacer algo como hobby tratando de conseguir la mayor funcionalidad posible por el menor precio posible.

A demás, en la mayoría de los diseños de impresoras 3D se utilizan piezas hechas con otra impresora 3D. Para evitar esto, en este diseño haré todo sin necesidad de otra impresora y después reemplazaré algunas piezas temporales hechas de madera por otras fabricadas con la propia impresora cuando ya esté funcionando. 

Los precios de los componentes

El asunto de los precios en estas cosas es un poco problemático. Como están "de moda", hay muchos vendedores que cobran importes realmente abusivos por los componentes o los kits. Por ejemplo veamos el caso del calentador que funde el plástico. Podemos encontrar un modelo E3D versión 6 en matterhackers por 93 dólares.

http://www.matterhackers.com/store/printer-accessories/e3d-all-metal-v6-hotend-fully-assembled-1.75mm-universal-direct-12v

Sin embargo, una copia suficientemente buena de este producto se puede encontrar en ebay por 11,88 dólares australianos que son menos de 8€.

http://www.ebay.es/itm/331892420320

Uno podría pensar que si es tan barato, alguna desventaja habrá, y puede ser. Por ejemplo a veces los agujeros no están bien pulidos por dentro provocando atascos pero la construcción no justifica de ninguna manera el precio de 93 dólares. 

Lo mismo ocurre con determinadas piezas como rodamientos o poleas que es imposible conseguirlas a precios bajos porque son normalmente utilizadas en impresoras 3D. El truco es usar otras parecidas o buscar otros vendedores.

Otro problema usual es que la mayoría de los diseños de impresora 3D llevan piezas hechas en otra impresora 3D y a no ser que tengamos un amigo que nos las haga, tendremos que comprarlas, y las cobran bastante caras.

Por estos motivos voy a diseñar algo que pueda construirse sólo con materiales accesibles fácilmente y después, si es necesario, reemplazaré algunas piezas por otras hechas con la propia impresora una vez que esté funcionando.

Una recomendación. Si piensas hacer una impresora 3D, lo primero es buscar información, ver vídeos de youtube, etc. etc. aunque no se trate exactamente de la construcción. El ver cómo se usa, qué trucos hay, cómo se calibra, qué pruebas se pueden hacer, qué problemas ocurren y cómo se solucionan, etc. da una buena idea de cómo hacer las cosas después.

Cuando uno tiene la impresora armada lo que quiere es usarla y no tiene tiempo ni ganas de ponerse a ver vídeos. Lo que uno quiere es imprimir algo. El tiempo (a veces desesperante) que tardan en llegar los componentes pedidos a China es útil para informarse con lo que se encuentre en internet.

A demás, yo no he comprado todo de golpe. He ido pidiendo diferentes piezas para ir probando parte por parte y ajustar el diseño. Ese tiempo me ha permitido ir metiéndome en el tema de a poco.

Otra cosa más que se beneficia del tiempo de espera son los detalles estéticos. Una vez que ya está funcionando uno se dedica a imprimir cosas o a ajustar para tener mejor calidad. No tenemos tiempo ni ganas de poner prolijos todos esos cables que quedaron sueltos por ahí.

A mi me vino muy bien que lo último que comprara fuera el motor del extrusor. Porque sin él no se puede imprimir nada y me dio tiempo de preparar lo demás.


Siguiente paso: elegir un modelo de impresora.