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Repositorio de la Universidad de Zaragoza – Zaguán http://zaguan.unizar.es Proyecto Fin de Carrera Diseño de una impresora 3D DLP Autor Myriam Derré Directores Jorge Santolaria Mazo Francisco Javier Brosed Dueso Escuela de Ingeniería y Arquitectura, Universidad Zaragoza 2014 Diseño de una impresora 3D DLP Junio 2014 Myriam DERRE Resumen Página | 2 Diseño de una impresora 3D DLP Junio 2014 Myriam DERRE Resumen Página | 3 DISEÑO DE UNA IMPRESORA 3D DLP RESUMEN - ESPAÑOL Este proyecto trata del desarrollo de una impresora 3D compacta y de bajo coste con el objetivo de comercializarla más adelante. No se puede cumplir la totalidad del objetivo en el alcance del proyecto de fin de carrera. Por eso, solo se intenta obtener un prototipo de una impresora fotoquímica del tipo DLP. Se realiza este prototipo con respecto a los requerimientos técnicos y los requerimientos de la persona cargada del diseño exterior de la impresora. El proyecto comienza por un estudio de las impresoras 3D del mercado y varios elementos y utillajes que se pueden utilizar en este proyecto. Así se obtiene una mejor idea de las tecnologías de impresión 3D; de lo que ya se hace y lo que puede ser mejorado. En esta parte, se definen los elementos a tener en cuenta durante el diseño. Después, se realiza un análisis de las relaciones entre las características de la máquina. O sea, el impacto de las dimensiones de las piezas realizadas sobre los elementos utilizados para fabricar la impresora y, por consecuencia, sobre el coste y las dimensiones de la impresora. Gracias a este estudio se puede elegir un diseño para el producto y el conjunto de los elementos a utilizar con respecto a los requerimientos. Luego, con la idea del diseño a realizar se estudia las partes mecánicas del sistema. O sea, primero, el sistema de desplazamiento con el soporte de la pieza. Después, la cuba y, por fin, el sistema óptico con el proyector y los elementos ópticos que pueden ser añadidos (lentes de Fresnel, lentes divergentes, espejo...). En esta parte se empieza a buscar presupuestos para varios de los elementos de modo que se obtiene una primera idea del precio de la impresora. La parte siguiente consiste en la realización del modelo numérico de la máquina gracias al software SolidEdge. Así se puede definir las características de las piezas de montaje. Se intenta obtener un máximo de piezas comerciales en el montaje para reducir el coste de la impresora. Además, en esta parte se define las dimensiones exactas de cada elemento. De esta manera se pueden obtener las dimensiones finales de la impresora completa. Por último, se realizan ensayos del sistema óptico (proyector, lente de Fresnel y lente divergente). Con ellos se puede definir la influencia de cada elemento sobre la calidad de la pieza. Estos ensayos deben validar la utilización de las piezas elegidas. Lo que quedará a realizar después este proyecto, es, en una primera parte, el fin del prototipo con las modificaciones implicadas por los ensayos y su diseño exterior. En una segunda parte, habrá que realizar el estudio de industrialización y de la comercialización del producto. Diseño de una impresora 3D DLP Junio 2014 Myriam DERRE Resumen Página | 4 DISEÑO DE UNA IMPRESORA 3D DLP RESUMEN – INGLÉS This project relates to the development of a 3D DLP printer. This printer must be as cheap and compact as possible. The ultimate goal of this project is to commercialise the printer. The time of a single “Proyecto de Fin de Carrera” is not sufficient to complete the all project. Therefore, the aim is only to obtain a prototype of a 3D DLP printer. But, at the same time, we try to prepare the rest of the project. To do so, the product’s design has to respect the requirement of the exterior design’s responsible. Moreover, during the all project, quotes of the various elements of printer are realized in function of the needs. To do it, we start by the realization of a study of the 3D printers already present on the market as well as the various elements and tools which we can need during the project. Thank to that, we can have a best idea of the 3D printer’s technologies; what is already done and what we can improve. In this part, we can define what we need to take care during the realization of the project. Then, we carry out a study about the relations between the various features of the machine. That being so, the influence of the dimensions of the making piece on the elements used during the fabrication of the printer. And, as a consequence, on its price and its size. Thank to this study, we can choose the design of the product and the set of the pieces which must be used to respect the project’s requirements. Next, because the global design is known, we can start to analyse the mechanic parts of the system. That mind to start with the moving part and the support of the piece. The analysis continues with the cistern to be concluded by the optic system: the projector and the parts which can be added (divergent lens, Fresnel’s lens, mirror…). The quotes start to be requested during this part of the project. In this way we can realize a first evaluation of the cost of our 3D DLP printer. The next part is the realization of the printer’s CAD model thanks to the software SolidEdge. Hence, we can have a best definition of the features of the assembly elements. We look for marketing elements to reduce as much as possible the cost of the system. Moreover, this model allows us to define the accurate size of each part of the assembly and, as a consequence, of the complete printer. As a last point, we realize tests of the optic system (projector, Fresnel’s lens y divergent lens). These tests allow us to define the influence of each element on the quality of the piece. They must valid o no the use of the chosen pieces. To carry on this project, the next person concerned by it should, in a first part, end the realization of the full prototype of the 3D printer (the mechanic part and the outward design) following the modifications due to the tests’ results. Then, in a second part, he should realize the studies of the industrialization and of the marketing of the product. Diseño de una impresora 3D DLP Junio 2014 Myriam DERRE Índice Página | 5 ÍNDICE RESUMEN - ESPAÑOL ............................................................................................................. 3 RESUMEN – INGLÉS ................................................................................................................ 4 ÍNDICE ......................................................................................................................................... 5 INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................... 7 MEMORIA DEL PFC ................................................................................................................. 9 1. Estado del arte ............................................................................................................................ 10 1.1. Las impresoras 3D ..................................................................................................................... 10 1.1.1. Presentación del principio ................................................................................................ 10 1.1.2. Los diferentes procesos .................................................................................................... 10 1.2. Las impresoras fotoquímicas .................................................................................................... 12 1.2.1. Principio general .............................................................................................................. 12 1.2.2. Las diferentes técnicas de impresión fotoquímica ........................................................... 12 1.2.3. El mercado actual de impresora fotoquímica .................................................................. 13 1.3. Los fuentes de luz ..................................................................................................................... 14 1.3.1. Las características de un proyector .................................................................................. 14 1.3.2. Los tipos de proyectores .................................................................................................. 14 1.3.3. Elección del proyector ...................................................................................................... 15 1.4. Las resinas fotosensibles ........................................................................................................... 16 1.4.1. Definición y utilización ..................................................................................................... 16 1.4.2. Las características importantes de las resinas ................................................................. 16 1.4.3. Ejemplos de resinas .......................................................................................................... 17 1.5. Las lentes ópticas ...................................................................................................................... 17 1.5.1. Propiedades importantes de las lentes ............................................................................ 17 1.5.2. Utilización de lentes ......................................................................................................... 17 1.5.3. Las lentes en el mercado .................................................................................................. 18 1.6. Estudio del proyecto precedente .............................................................................................. 19 1.6.1. El prototipo precedente ................................................................................................... 19 1.6.2. Elementos importantes del diseño .................................................................................. 20 2. Influencia del tamaño de piezas .................................................................................................. 21 2.1. Influencia del tamaño de la imagen proyectada ....................................................................... 21 2.1.1. Caso 1 ............................................................................................................................... 21 2.1.2. Caso 2 ............................................................................................................................... 21 2.1.3. Caso 3 ............................................................................................................................... 22 2.1.4. Caso 4 ............................................................................................................................... 22 2.2. Influencia de la altura de la pieza sobre el sistema de desplazamiento ................................... 23 2.3. Combinación de las alturas ....................................................................................................... 23 3. Las partes mecánicas ................................................................................................................... 25 3.1. El sistema de desplazamiento ................................................................................................... 25 3.2. La cuba ...................................................................................................................................... 25 3.2.1. El material y realización ................................................................................................... 25 3.2.2. Dimensiones ..................................................................................................................... 25 3.2.3. Aumento de volumen ....................................................................................................... 26 3.3. El sistema óptico ....................................................................................................................... 26 3.4. El coste ...................................................................................................................................... 27 Diseño de una impresora 3D DLP Junio 2014 Myriam DERRE Índice Página | 6 4. Diseño del conjunto ..................................................................................................................... 28 4.1. Sistema de desplazamiento ...................................................................................................... 28 4.2. La cuba ...................................................................................................................................... 29 4.3. El sistema de proyección........................................................................................................... 30 4.3.1. La lente divergente ........................................................................................................... 30 4.3.2. La placa soporte ............................................................................................................... 30 4.4. La lente de Fresnel .................................................................................................................... 31 4.5. La estructura ............................................................................................................................. 32 5. Ensayos del sistema de proyección .............................................................................................. 33 5.1. Los ensayos ............................................................................................................................... 33 5.2. Resultados ................................................................................................................................. 33 CONCLUSIÓN Y TRABAJO FUTURO................................................................................. 34 TABLA DE ILUSTRACIÓN ................................................................................................... 36 BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................................... 37 Diseño de una impresora 3D DLP Junio 2014 Myriam DERRE Introducción Página | 7 INTRODUCCIÓN Ahora, la impresión 3D es lo que más se parece a la solución de un viejo sueño de los hombres: obtener una pieza directamente a partir de un simple dibujo. En efecto, la impresión 3D es un proceso de fabricación por adición de material que permite obtener piezas directamente desde un modelo numérico. Con este proceso no se necesita realizar cálculos de molde, de matriz o de gama de mecanización. Solo hay que cargar el modelo CAD (Computer-Aided Design) dentro un software de descomposición en capa. Por eso, aunque este proceso no reduce el tiempo de fabricación, reduce mucho el tiempo de preparación. Pues, una pieza puede ser obtenida en mucho menos tiempo que con los otros procesos de fabricación (mecanización, fundición, estampado...). Además, con esta técnica, se puede realizar piezas más complejas que con las otras, no hay problemas de accesibilidad o de socavado. Por fin, como no hay que pagar herramientas o moldes caros, para realizar pocas piezas, este proceso es más económico que la mayoría de los otros. Pero si el tamaño de la serie a producir es tal que el tiempo de preparación puede permitir una reducción significativa del tiempo y del coste de la fabricación la impresión 3D sale mucho menos rentable que las otras técnicas de producción. Por estas razones, la impresión 3D es utilizada por la producción de pequeñas series o de piezas unitarias y no de grandes series. Así, es utilizada para realizar prototipos de nuevos productos antes de producirlos en serie con otro sistema de producción. Pero también puede ser utilizada para realizar piezas únicas o cuasi que deben ser totalmente adaptadas a su entorno (elementos de próstesis o piezas de arte). Para concluir, las impresoras 3D son a menudo consideradas como sistemas de prototipado rápido y empezaban a entrar en las empresas del mundo para esta razón. Dadas sus posibilidades, este ámbito tiene un desarrollo muy rápido. Empezó a ser utilizado por las empresas para realizar prototipos. Luego, algunas empresas utilizaron impresoras 3D para realizar piezas unitarias totalmente adaptadas a su entorno – prótesis por ejemplo. Ahora, los particulares utilizan cada vez más impresoras 3D para realizar piezas de arte o de recambio para reparar elementos de su casa –extremidad de picaporte, elementos de juguetes... Para los particulares, todo eso es sencillo porque se puede encontrar muchos modelos de piezas en libre acceso en Internet. Con el aumento de la demande de las empresas y de los particulares, las impresoras 3D son cada vez más numerosas en el mercado. Además, las impresoras comerciales compiten con las impresoras DIY –Do It Yourselfo sea, la fabricación de una impresora a partir de piezas sueltas. Estas máquinas son más para los particulares que quieren una impresora 3D a muy bajo coste. Por consecuencia, para vender un nuevo producto, una empresa debe proponer impresoras cada vez más baratas, rápidas y con una mejor calidad de impresión. Por consiguiente, la evolución de las tecnologías de la impresión 3D es muy rápida. Ya existen cinco tecnologías de impresora 3D: la extrusión, el hilado, el granulado, el laminado y la estereolitografía. Estas cinco tecnologías se apoyan sobre cuatro Figura 1 - Pieza realizada por impresión 3D - www.standon.be Diseño de una impresora 3D DLP Junio 2014 Myriam DERRE Introducción Página | 8 principios de fabricación: el depósito de un material fundido, la síntesis localizada de polvo, la encoladura de una lámina de material y la polimerización de una resina. El único elemento en común de estas tecnologías es que la pieza se realiza capa por capa y que cada capa tiene un espesor fino (inferior a 1mm). El objetivo del proyecto es el diseño de una impresora 3D por estereolitografía con un proyector DLP. Con este tipo de tecnología, las piezas se fabrican por la adición de sucesivas capas de pequeño espesor. Cada capa se realiza gracias a la polimerización de una resina fotosensible expuesta a una imagen proyectada por el sistema de proyección DLP. Esta imagen es definida por la presencia de elementos negros y otros iluminados, sin variación de color. El sistema de proyección puede emitir en los UV o en el visible. En nuestro caso, el sistema emite en el visible. Después, un sistema de desplazamiento mueve el soporte para realizar la capa siguiente. El sistema de proyección DLP es una de las cuatro tecnologías de los video-proyectores actualmente sobre el mercado, las otras son las tecnologías LCD, LED y CRT (menos común). Las otras tecnologías son una combinación y/o evolución de unas de estas tecnologías. Los requerimientos que se le piden al diseño son la obtención de una impresora 3D compacta y de bajo coste para comercializarla. Con el fin de alcanzar el objetivo del proyecto, que es la obtención de una impresora de bajo coste y compacta. Las tareas a realizar se dividen en cuatro partes. La primera consiste en el estudio de las tecnologías de impresoras 3D así como de las impresoras estereolitográficas. De esta manera se puede tener una mejor idea de las tecnologías ya desarrolladas, de lo que se debe tener en cuenta y de lo que se puede mejorar. Después, hay que realizar el análisis de las relaciones entre las características de la pieza a fabricar, los elementos del sistema, el coste y las dimensiones de la impresora. El objetivo de este análisis es definir los elementos que se puede utilizar y las dimensiones máximas de la pieza con respecto a los requerimientos. Luego, con la idea de lo que se puede realizar, se estudia las partes mecánicas del sistema. O sea, primero, el sistema de desplazamiento con el soporte de la pieza. Después, la cuba y, por fin, el sistema óptico con el proyector, los elementos ópticos que pueden ser añadidos (lentes de Fresnel, lentes divergentes, espejo...). La tercera parte es la realización del diseño del conjunto para definir las características de las piezas del montaje. En esta parte se define las dimensiones exactas de cada elemento así como las de la impresora completa. Se proponen también varias posibilidades imaginadas y las razones cada elección. En el último grupo de tareas, se realiza ensayos con el sistema óptico (proyector, lente de Fresnel y lente divergente). Con ellos se puede definir la influencia de cada elemento sobre la calidad de la pieza. Estos ensayos deben validar la utilización o no de cada pieza. Como se debe comercializar la impresora el diseño exterior es un elemento muy importante de esta máquina. Por eso, algunas elecciones se realizan con respecto a los requerimientos de un estudiante realizando en paralelo un proyecto, en parte, sobre el diseño exterior de esta impresora. Figura 2 - Pieza en curso de realización por una impresora 3D - www.3dnatives.com Diseño de una impresora 3D DLP Junio 2014 Myriam DERRE Memoria Página | 9 MEMORIA DEL PFC En esta parte se encuentra el desarrollo de este proyecto fin de carrera. Diseño de una impresora 3D DLP Junio 2014 Myriam DERRE Memoria ~ Estado del arte Página | 16 Se nota también que el precio depende más de la resolución que de la luminosidad o el contraste. Además, se ve que los proyectores más pesados tienen un contraste elevado. Se concluye que se puede utilizar el proyector actual. Después, un cambio de proyector implicará de utilizar uno con el mismo ratio de proyección o hacer de nuevo los cálculos de ajuste de la posición para varios elementos (proyector, lentes...). 1.4. LAS RESINAS FOTOSENSIBLES Las resinas fotosensibles son elementos cruciales de las impresoras 3D fotoquímicas. Esta parte tiene como objetivo presentar las resinas fotosensibles. 1.4.1. DEFINICIÓN Y UTILIZACIÓN Una resina fotoquímica es un material sensible a una onda electromagnética del espectro óptico (desde los UVC hasta los infrarrojos). La reacción química a la exposición a una fuente de luz es el cambio de estado de agregación o de la solvencia de la resina. Luego, bajo una fuente de luz, una resina fotoquímica puede endurecerse o disolverse en un revelador. En nuestro caso se utiliza una resina fotopolímerizable. Es una resina constituida de dos elementos: una base de monómero y un fotoiniciador, elemento sensible a una longitud de onda que inicia la transformación. En este caso, la resina de monómero se polimeriza gracias a la luz visible para formar un polímero sólido. Los fotoiniciadores son repartidos en 2 grupos, los fotoiniciadores sensibles:  A los UV medio, lejanos y extremos, UVB y UVC , que necesitan una lámpara UV caras para curar  A los UV cercanos , UVA, y a la luz visible, colores violeta y azul, que pueden curar bajo una lámpara clásica y más barata Las resinas fotoquímicas se utilizan mucho en los procesos de fotolitografía o de fotograbado para conseguir un revestimiento protector añadido en el área de un substrato. Estas técnicas son utilizadas también en el terreno de la electrónica para realizar tarjetas de pequeños circuitos impresos o en el terreno de la mecanización química. En efecto eso permite proteger una parte de la superficie con una capa químicamente inerte de polímero antes de atacar el resto de la pieza con el producto químico. Pero en nuestro caso, lo que importa es la capacidad de polimerizar de una resina bajo una fuente de luz. 1.4.2. LAS CARACTERÍSTICAS IMPORTANTES DE LAS RESINAS Para realizar una pieza con una resina fotosensible respetando las propiedades requeridas, hay que conocer las características de la resina. O sea: su viscosidad inicial, su longitud de onda de iniciación de la reacción, el tiempo de exposición mínima, su dureza final, su resistencia mecánica, su composición química y sus densidades antes y después de la polimerización. En el anexo 5 se encuentra una tabla que define las características principales de las resinas y sus impactos finales sobre la pieza final o sobre el proceso de fabricación. Diseño de una impresora 3D DLP Junio 2014 Myriam DERRE Memoria ~ Estado del arte Página | 17 1.4.3. EJEMPLOS DE RESINAS Existen muchos tipos de resinas, se pueden realizar resinas caseras o se pueden comprar directamente a los fabricantes. En esta sección se presentan algunas resinas del mercado:  Los productos de la empresa Spot-a materiales (Spot-HT, Spot-GP, Spot-LV y Spot-E). La empresa propone resinas para muchos usos con precios desde 68 EUR hasta 78 EUR por Kg de producto.  La empresa MadeSolid propone una resina fotopolímera, la MS Resin, por 73 EUR/kg de matera.  La resina UV-CASTTM 9663, de Dymax es también una resina fotosensible. Esta resina se cura bajo una fuente de luz UV o visible y cuesta 87,5 EUR/L. 1.5. LAS LENTES ÓPTICAS Una lente es un componente óptico transparente (para un espectro de onda definido). Una lente tiene por objetivo desviar un rayo de su trayectoria natural. En función de la forma de la lente atravesada y de la dirección relativa del rayo con respecto a la lente, un rayo puede divergir, converger o ser devuelto paralelamente al eje óptico de la lente. 1.5.1. PROPIEDADES IMPORTANTES DE LAS LENTES Para obtener una buena imagen de un objeto o de una fuente se deben respetar algunas leyes ópticas. O sea:  El estigmatismo  El aplanetismo  Las leyes de Gauss Cada una de estas leyes es definida en el anexo 6. 1.5.2. UTILIZACIÓN DE LENTES Existen muchos usos posibles de lentes, en la mayoridad de los casos, las lentes son utilizadas en sistemas ópticos con varias lentes para ver lo que no es visible para los ojos (telescópico, microscópico, etc.), para reorientar rayos y paliar a un defecto (gafas, lentes de contacto, etc.) o para concentrar rayos y aumentar localmente la energía del rayo (calor y luz) como en un horno solar. En este proyecto, la utilización de lentes tendría dos funciones:  Enderezar los rayos del proyector de manera que los rayos del proyecto sean paralelos al eje óptico del sistema y que sólo se cure la superficie de la imagen sin generar un pequeño cono de curación. Por eso se utiliza una lente convergente donde la fuente de luz es al nivel del focal de la lente. Figura 8 - Realización de una capa con una lente Figura 7 - Realización de una capa sin una lente Diseño de una impresora 3D DLP Junio 2014 Myriam DERRE Memoria ~ Estado del arte Página | 18  Disminuir el espacio útil del sistema con el aumento del ratio de proyección con una lente divergente. Figura 9 - Esquema de una fuente de luz a través de una lente divergente 1.5.3. LAS LENTES EN EL MERCADO a. Generalidad Comprar una lente de pequeño tamaño es muy simple, existe muchas empresas que fabrican y venden este tipo de lentes. Eso empieza a ser más difícil cuando la lente tiene un diámetro cerca de su distancia focal como es el caso con la lente convergente del sistema. Para este tipo de lentes se debe utilizar lentes realizada, fabricadas por encargo en la mayoría de los casos, mucho más cara que las otras. b. Las lentes de Fresnel Las lentes de Fresnel fueron inventadas en 1822 para disminuir las pérdidas de luminosidad en los faros. En efecto a aquella época, hasta 50% de la luz se perdía en el sistema óptico. El objetivo de Fresnel fue realizar una lente de espesor constante y bajo con una distancia focal corta para un diámetro largo. Por eso construía una lente compone de varios anillos de lente con la misma distancia focal pero de diámetro variable. Cada anillo tiene un espesor bajo. De esta manera se obtiene una lente más fina pero con discontinuidad al nivel de la superficie externa. Este tipo de lente permite obtener una mejor luminosidad pero con una disminución de la calidad de la imagen, dada a las discontinuidades que se notan sobre la imagen con la aparición de círculos. Ahora esto tipo de lentes se utiliza en muchos dominios así mismo son más eficientes para concentrar la luz que para proyectar una imagen. Se utilizan en los faros, los paneles solares, los proyectores de cine o video proyectores, los detectores de movimientos... Una lente de Fresnel puede ser divergente o convergente sin distinción. Figura 10 - Comparación de una lente de Fresnel (1) y de una lente clásica (2) de misma distancia focal Diseño de una impresora 3D DLP Junio 2014 Myriam DERRE Memoria ~ Estado del arte Página | 19 1.6. ESTUDIO DEL PROYECTO PRECEDENTE En un proyecto precedente, se realizaba un prototipo de una impresora 3D DLP. Se encuentran algunos problemas con el modelo actual, por eso en este proyecto se intenta rehacer el diseño de la impresora para paliar a los defectos encontrados. En esta parte se presentan los problemas encontrados con el primer diseño, los elementos que pueden ser reutilizados y los elementos importantes a tener en cuenta... El diseño de la precedente impresora se desarrolla en el proyecto de fin de máster de Javier Otero Ballesteros, “Diseño y fabricación de una impresora 3D de bajo coste basada en tecnología DLP.”, realizado en 2013. 1.6.1. EL PROTOTIPO PRECEDENTE El prototipo precedente se descompone en 5 partes, un sistema óptico de proyección, un brazo de elevación, la estructura de soporte de la cuba, la estructura global del sistema y un programa de control. a. El sistema óptico de proyección El proyector y el sistema óptico es una de las partes más importantes del prototipo. En este prototipo, la imagen es proyectada por abajo. Por consecuencia, la polimerización de la resina ocurre entre la placa soporte de la pieza y el vidrio del fondo de la cuba y el polímero se pega tanto sobre la placa soporte como sobre el vidrio de la cuba. Por lo tanto entre cada capa se debe despagarla con perjuicio de la calidad de la pieza. A pesar de la posibilidad de un tratamiento de la superficie para prevenir los problemas, todo eso provoca una disminución de la calidad de la pieza (deformación y degaste sobre la superficie), un aumento del riesgo de mala producción y del tiempo de realización de la pieza (se añade la acción de despague de la pieza al proceso). Para resolver eso lo más simple es cambiar el sentido de la llegada del haz de luz. En lugar de una proyección desde abajo se proyecta la imagen desde arriba. De esta manera, la resina polimeriza entre la placa soporte y el aire. Así no se necesita despagar la pieza entre cada capa. La mayor consecuencia de esta solución es un aumento de la altura de la cuba. En efecto, en este caso, la placa soporte se hunde dentro la resina, luego, la cuba debe ser como mínimo tan profunda como la altura de la pieza. Además, se necesita revisar el sistema de desplazamiento del soporte porque ahora no se puede unir desde arriba. Figura 11 – El modelo actual de impresora 3D DLP Figura 12 - Comparación de ambas soluciones Diseño de una impresora 3D DLP Junio 2014 Myriam DERRE Memoria ~ Estado del arte Página | 20 b. El brazo de elevación El brazo de elevación es la parte móvil de la máquina. Se constituye de dos partes mayores, una corredera y un sistema de desplazamiento. La corredera consta de un caro y de su guía, este conjunto provee una rigidez suficiente a la impresión. El sistema de desplazamiento debe ser bastante preciso para permitir un desplazamiento de menos de 1 milímetro (espesor de una capa). Para hacerlo, se usa un sistema de tornillo sin fin con una tuerca anti-juego. El estudiante precedente había hecho un buen estudio de esta parte con una comparación de diferentes soluciones. Esta parte de la impresora no cambia mucho por eso se puede recuperar y adaptar esta parte a este proyecto. c. La cuba y su soporte Como se decía antes, la modificación de la colocación del proyector implica una modificación completa de la cuba y de su soporte. Por eso no se utilizar el trabajo ya realizado sobre la cuba. d. La estructura global del sistema La estructura global del sistema precedente es constituida de perfiles MK, de placas metálicas y de uniones estándares. Esta estructura descansa sobre unas patas de nivelación para asegurar la posición horizontal de todo el conjunto. Así mismo el diseño de la estructura global va cambiar totalmente en vista de la colocación de las piezas. Para la nueva estructura, se reutilizan los mismos tipos de elementos. e. El programa de control Se conserva el programa porque se guarda el sistema de desplazamiento y solo se necesita cambiar pequeños elementos. En el anexo 7 se encuentra la descripción de cada fase del programa. En la continuación del proyecto, este programa será un modificado para mejorar la calidad de la pieza después la realización de ensayos. 1.6.2. ELEMENTOS IMPORTANTES DEL DISEÑO Durante todo el diseño se debe tener en cuenta el impacto de las decisiones sobre los puntos siguientes:  La resolución y la definición de los detalles de la pieza:  Las dimensiones de la máquina completa, la máquina debe ser tan compacta como sea posible  El volumen de la cuba, esto depende mucho de las dimensiones de las piezas  El espesor de una capa y el tiempo de exposición  La circulación de la resina dentro de la cuba cuando el soporte baja  Protección de la resina de la luz para prever polimerización no controlada Figura 13 - Brazo de elevación del prototipo actual Figura 14 - El prototipo precedente Diseño de una impresora 3D DLP Junio 2014 Myriam DERRE Memoria ~ Influencia del tamaño de piezas Página | 21 2. INFLUENCIA DEL TAMAÑO DE PIEZAS En esta parte se define la influencia de las dimensiones máximas de la pieza sobre el tamaño de la impresora 3D. Se supone que la pieza máxima tiene una base rectangular donde el lado el más pequeño es de x mm, el otro lado depende del formato (f) y es igual a x/f mm por una altura de y mm. Al principio, se estudia por separado la influencia de la anchura de la imagen sobre el sistema óptico y la influencia de la altura sobre el conjunto de la cuba y del sistema de desplazamiento. Después, se realiza la combinación de ambos elementos. 2.1. INFLUENCIA DEL TAMAÑO DE LA IMAGEN PROYECTADA Hay cuatro conjuntos posibles del sistema de proyección. Cada uno es compuesto como mínimo de un proyector y de una lente de Fresnel, a eso se puede añadir un espejo o/y una lente divergente. Se realiza el estudio de los casos siguientes: Caso 1 Sistema sin lente divergente ni espejo Caso 2 Sistema sin lente divergente pero con un espejo Caso 3 Sistema con una lente divergente sin espejo Caso 4 Sistema con una lente divergente y un espejo (imposible) 2.1.1. CASO 1 a. Estudio Este caso es el más sencillo, se compone solo del proyector y de una lente de Fresnel. Los cálculos y los resultados son presentados en el anexo 8. b. Análisis En este caso, la altura del sistema óptico depende directamente de la longitud máxima de la pieza según estas ecuaciones:  Formato 1:1, 𝐴𝑙𝑡𝑜𝑡 = 2,0496 ∙ 𝑥 + 167 mm  Formato 16:10, 𝐴𝑙𝑡𝑜𝑡 = 2,7345 ∙ 𝑥 + 167 mm  Formato 4:3, 𝐴𝑙𝑡𝑜𝑡 = 2,4155 ∙ 𝑥 + 167 mm Las alturas que se pueden obtener son demasiado grandes por eso no se realiza una impresora de este tipo. Pero estos resultados permiten obtener una base de comparación para los estudios siguientes. 2.1.2. CASO 2 a. Estudio En este caso se añade al proyector y a la lente de Fresnel un espejo. Este espejo simple capa (sin protección de la parte reflejante) permite reorientar el rayo de luz y reducir la altura del sistema óptico. Pero eso implica aumentar su anchura, para elegir Figura 15 - Tamaño máximo de una pieza Diseño de una impresora 3D DLP Junio 2014 Myriam DERRE Memoria ~ Influencia del tamaño de piezas Página | 22 este principio hay que analizar el impacto de eso. Los cálculos y los resultados son presentados en el anexo 9. b. Análisis Se nota que solo se puede utilizar un espejo para un sistema de proyección de una imagen superior a 60 mm de lado. Además, la reducción mínima con un espejo es de 46%, por eso es muy interesante utilizar un espejo para reducir la altura del sistema. Pero eso aumenta también la longitud del sistema, por eso, para definir si es pertinente utilizar un espejo y su posición se debe definir si el aumento de la longitud del diseño es aceptable o no. El espejo no tiene impacto sobre la anchura del sistema. 2.1.3. CASO 3 a. Estudio En este caso, se añade una lente divergente al proyector y a la lente de Fresnel. De esta manera, se amplía el ángulo de proyección y se reduce la longitud de rayo de luz. La lente influye sobre la longitud y la anchura del conjunto pero influye sobre el precio. En efecto, la lente es más cara que un espejo simple capa. Los cálculos y los resultados son presentados en el anexo 10. b. Análisis Se nota que los resultados no siguen una ley bien definida. En efecto, la elección de las distancias focales es más o menos libre mientras que no se puede utilizar lente con distancias focales fueras de las clásicas (-40, -50 o -75 mm). Además, se puede observar que no es muy útil utilizar una lente para dimensiones de imagen inferior a 30mm y que cuanto más grande sea la imagen, más eficiente es la utilización de la lente –desde 7% para una imagen de 20 mm hasta 40% para una imagen de 200 mm de lado. Se nota también que la reducción de la altura realizada gracias a una lente es inferior a la que se realiza gracias a un espejo. Pero una lente no tiene un impacto notable sobre las otras dimensiones del sistema. Pues, aunque la altura del sistema óptico es superior con una lente que con un espejo, la máquina puede más compacta. 2.1.4. CASO 4 Visto los estudios precedentes, parece interesante realizar un conjunto con una lente y un espejo. Pero después los cálculos desarrollado en el anexo 11, se nota que no es posible para imágenes de dimensiones inferiores a 200 mm y que para esta dimensión sería muy difícil de realizar. Por eso no se estudia este caso. Diseño de una impresora 3D DLP Junio 2014 Myriam DERRE Memoria ~ Influencia del tamaño de piezas Página | 23 2.2. INFLUENCIA DE LA ALTURA DE LA PIEZA SOBRE EL SISTEMA DE DESPLAZAMIENTO En esta parte se estudia la influencia de la altura de la pieza sobre el sistema de desplazamiento con la cuba. Por eso, se estudian dos sistemas de desplazamiento. Para ambos, la altura del sistema es directamente relacionada a la altura de la pieza, no se pueden añadir elementos para reducirla. Con el primer sistema se realiza el desplazamiento por arriba cuando, con el segundo, el desplazamiento se realiza por abajo. El desarrollo de los cálculos se realiza en el anexo 12. Después de los cálculos, se ve que el sistema de desplazamiento es más compacto con el primer sistema de desplazamiento. Por eso, en lo sucesivo, solo se estudia el primer sistema de desplazamiento. Además, a partir de una pieza de 60mm de altura, la altura del sistema de desplazamiento sigue una ley cerca de una ley lineal de ecuación:  Para el primer sistema de desplazamiento 𝑦 = 1,8703𝑥 + 95,91 mm  Para el segundo sistema de desplazamiento 𝑦 = 1,9778𝑥 + 151,96 mm 2.3. COMBINACIÓN DE LAS ALTURAS En esta parte, se combinan los resultados de los estudios precedentes. Se supone para cada estudio una distancia de 30mm entre la lente de Fresnel y la posición máxima de la placa soporte. Esta distancia debe prever los contactos entre la resina y la lente. Solo hay un sistema de desplazamiento, por consecuencia, solo varia el sistema óptico. Además, no se estudian los casos 1 y 4. Por eso se realiza un estudio según las variaciones del sistema óptico de los casos 2 y 3: Caso 2 Sistema sin lente divergente con un espejo Diseño 1 Caso 3 Sistema con una lente divergente sin espejo Diseño 2 Se presentan en el anexo 13 los cálculos de las alturas del sistema global en función de las dimensiones de la pieza, del formato y del montaje elegido. Por fin, se debe elegir entre una máquina más alta y estrecha (con una lente) o una máquina menos alta pero más ancha (con un espejo). Con todo, se elige un valor mínimo de lado de 150 mm para la pieza. La altura puede cambiar un poco. Para elegir el diseño se realiza dos esquemas de los dos diseños posibles para piezas de lado de 150mm y 120mm para un formato 1:1. Los resultados son presentados en los anexo 14. Figura 16 - Sistema de desplazamiento 1 Figura 17 - Sistema de desplazamiento 2 Diseño de una impresora 3D DLP Junio 2014 Myriam DERRE Memoria ~ Influencia del tamaño de piezas Página | 24 En estos esquemas se ve que la utilización de un espejo implica un aumento de anchura demasiado grande para nuestra aplicación. Además la utilización de una lente divergente permite realizar dos gamas de impresora sin modificación del diseño. Así se elige utilizar un diseño con una lente divergente para tener la posibilidad de proponer dos impresoras 3D:  La primera con la lente divergente para piezas de grande tamaño  La segunda sin la lente divergente, más barata pero que permite realizar piezas de más pequeñas dimensiones. Así con dos precios se puede desatender el impacto del precio de las lentes divergentes. Diseño de una impresora 3D DLP Junio 2014 Myriam DERRE Memoria ~ Las partes mecánicas Página | 25 3. LAS PARTES MECÁNICAS En esta parte se estudian las partes mecánicas utilizadas dentro del conjunto. Se intenta obtener una pieza de 150 mm de lado como mínimo y de 100 mm de altura. 3.1. EL SISTEMA DE DESPLAZAMIENTO Se reutiliza parcialmente el sistema de desplazamiento ya realizado en el proyecto anterior sobre las impresoras 3D DLP. Por eso no se estudia el sistema de tornillo-tuerca. Pero el sistema de sujeción de la placa cambia por eso se debe estudiar este parte. Como la sujeción se realiza sobre un lado, el riesgo es que la placa dobla bajo el peso de la placa soporte y de la pieza realizada. Los cálculos presentados en el anexo 15 muestran que para la pieza máxima (150 x 240 x 100) y para un soporte en aluminio, la flexión es inferior a 1µm o sea puede ser despreciada. Pues se elige de realizar una pieza con las dimensiones siguientes: 40 x 230 x 5 mm. 3.2. LA CUBA La cuba parece un elemento sencillo pero tiene que respetar muchas normas. 3.2.1. EL MATERIAL Y REALIZACIÓN El material de la cuba tiene que proteger la resina de los rayos de luz exteriores. Por eso, se realiza en PVC tintado que es un material opaco a la luz visible y a los UV. El presupuesto de la cuba se encuentra en el anexo 22. 3.2.2. DIMENSIONES En el anexo 16 se encuentra los cálculos realizado para definir las dimensiones de la cuba. Al final se obtiene los resultados siguientes:  Longitud: 300 mm  Anchura: 170 mm  Altura: 130 mm Parte ya estudiada Parte a estudiar Figura 18 - El sistema de desplazamiento 40mm 230mm Figura 19 - Piezas a estudiar del sistema de desplazamiento Diseño de una impresora 3D DLP Junio 2014 Myriam DERRE Memoria ~ Diseño del conjunto Página | 32 4.5. LA ESTRUCTURA La estructura es muy sencilla, es un paralelepípedo compuesto de perfiles de 25 mm de lado. Estos perfiles están unidos por escuadras adaptadas a estos perfiles. Todo repuesto sobre cuatros pies regulables que aseguran la horizontalidad de la máquina. Cada pie es unido a un perfil gracias a una placa de 10 mm de espesor la que permite atornillar los pies. En el anexo 23 se encuentra dos tablas recapitulativas de las piezas del conjunto, en el anexo 24 se encuentra los planos de las piezas a realizar y en el anexo 25 se encuentra una vista del conjunto de la impresora en la posición alta y baja. Figura 36 - Conjunto global de la impresora 3D Figura 35 - Colocación de tornillos Diseño de una impresora 3D DLP Junio 2014 Myriam DERRE Memoria ~ Ensayos del sistema de proyección Página | 33 5. ENSAYOS DEL SISTEMA DE PROYECCIÓN Para verificar las dimensiones del diseño y para definir la utilidad de los varios elementos se realizan los ensayos siguientes con el sistema de proyección: Nº del ensayo Tipo Objetivo 1 Sin lente Obtener piezas y valores de referencia para los ensayos siguientes 2 Con la lente divergente Estudiar la reducción de altura implicada por la presencia de la lente divergente 3 Con la lente divergente y la lente de Fresnel Estudiar influencia de la lente de Fresnel sobre la calidad de la pieza 4 Con una lente de Fresnel Estudio del impacto de la lente de Fresnel sobre un sistema sin lente divergente. 5.1. LOS ENSAYOS La estructura utilizada para los ensayos es la presentada en la figura 36. Se puede desplazar el proyector en la altura, la lente de Fresnel y la cuba en el plano. Se utiliza la resina Spot-LV de la empresa Spot-A porque es la resina que polimeriza la más rápidamente y que tiene una viscosidad muy baja. Como solo se realiza un estudio de la geometría de la pieza eso es suficiente. Los ensayos son presentados en los anexos 26 y 27. 5.2. RESULTADOS Con los ensayos se puede definir que:  La utilización de una lente divergente no es pertinente aquí porque, mientras que ella aumenta el tamaño de la imagen proyectada, su utilización implica una degradación demasiado grande de la calidad de la imagen. Aunque no se sabe la causalidad exacta (defecto de la lente o problema de su geometría), realizar la prueba del origen del problema sería caro sin asegurar su resolución. Por eso, se elige realizar una impresora sin reducción de altura o con la utilización de un espejo.  La utilización de una lente de Fresnel con una distancia focal adaptada al diseño permite reducir el ángulo de proyección hasta obtener un ángulo de 0 grados. Eso permite reducir la cantidad de resina utilizada para fabricar una pieza. Si la lente no tiene una tal lente, cualquiera la altura de la pieza, hay que llenar la cuba hasta una altura predeterminada por la cual se realiza el ajustamiento del tamaño para la pieza la más alta. Pero la lente de Fresnel reduce significativamente el ángulo de proyección y por consecuencia aumenta la calidad de la pieza. Figura 37 - Estructura de los ensayos Diseño de una impresora 3D DLP Junio 2014 Myriam DERRE Memoria ~ Conclusión y trabajo futuro Página | 34 CONCLUSIÓN Y TRABAJO FUTURO Las impresoras 3D son productos de actualidad, cada mes se presentan novedades tecnológicas. Cuando los australianos trabajan para imprimir un riñón humano, los ingleses ya fabrican frutas por impresión 3D. Hay cada vez más utilizaciones de este tipo de máquinas. Por consecuencia, las ventas de impresoras han crecido mucho durante los últimos años. Con este aumento del mercado, las impresoras 3D han seguido un desarrollo muy rápido. Ahora, las impresoras 3D que funcionan por extrusión son las más vendidas y desarrolladas. Pero, con esta tecnología, ahora solo se pueden mejorar las características de las impresoras (la velocidad de impresión, la resolución de la pieza…) y no realizar progresos muy importantes. Hoy en día, para realizar un nuevo avance, hay que trabajar sobre procesos menos estudiados como el granulado, el hilado o la impresión fotoquímica. Así se puede trabajar con otros materiales, reducir significativamente el tamaño de la impresora o el tiempo de fabricación de una pieza. Este proyecto ha tratado de un tipo de impresión fotoquímica. Aquí la mayor diferencia con el proceso extrusión es que en lugar de depositar un hilo de matera se polimeriza una resina gracias a una fuente de luz. Este principio permite desarrollar nuevos sistemas de fabricación y cambiar la calidad de la pieza fabricada así como el tiempo de fabricación. En este proyecto no se ha realizado una comparación de calidad con otras impresoras de extrusión porque no es pertinente realizar esta comparación sin tener una idea más precisa del precio de la nueva impresora. Pero, como una capa se realiza por la proyección de una imagen en menos de 10 segundos (con el desplazamiento), se puede afirmar que la fabricación de una pieza es más rápida. Eso es particularmente notable para una pieza más ancha que alta porque uno de los problemas de este tipo de máquina es el comportamiento de la resina durante el desplazamiento del soporte. Durante este proyecto se ha diseñado una impresora 3D con la posibilidad proponer dos gamas sin cambiar el diseño. Se han definido los elementos a tener en cuenta durante el diseño. Se han realizado los cálculos que permiten obtener una impresora de este tipo. Durante cada parte, se han utilizado elementos comerciales para reducir el coste final del producto. Se ha realizado también el modelo CAD completo de la impresora 3D. Los primeros ensayos del sistema óptico probaron que añadir una lente divergente provocó una disminución de la calidad inaceptable. Por eso, no se ha seguido el desarrollo de esta impresora con dos gamas de precio. Pero los ensayos probaron también que la lente de Fresnel mejora la calidad de la impresión por la reducción del ángulo de proyección. Además, una lente de Fresnel con una distancia focal adaptada al diseño requerido permite reducir la cantidad de resina utilizada para imprimir una pieza. Con eso se ha acabado este proyecto fin de carrera, no se continúa este proyecto porque el tiempo debido a este proyecto no permite rehacer el diseño completo o de fabricar las piezas del prototipo completo. Para continuar este proyecto, ahora se puede, Diseño de una impresora 3D DLP Junio 2014 Myriam DERRE Memoria ~ Conclusión y trabajo futuro Página | 35 por un lado, continuar el prototipo con solo la lente de Fresnel o, por otro lado, cambiar el diseño para añadir un espejo de modo que se reduce la altura. En ambos caso los cálculos ya son realizados en la segunda parte del proyecto y el diseño del modelo numérico es más o menos ya realizado. En efecto se puede reutilizar mucho de lo que hay está hecho. Después, habría que definir el nuevo diseño y realizar el prototipo completo con su caja y su diseño exterior. Finalmente, habría que modificar el programa de control para adaptarlo al nuevo sistema de desplazamiento. O sea, cambiar el movimiento de desplazamiento, añadir un movimiento de bajada-subida para la circulación de la resina... También, se mejoraría el programa con ensayos de la resina para optimizar el desplazamiento, para reducir al máximo la amplitud del movimiento y los tiempos de espera. Hay que realizar eso después la realización del prototipo para poder comprobarlo y hacerlo bien desde el principio. Por fin se debe realizar el estudio de industrialización y de comercialización. Diseño de una impresora 3D DLP Junio 2014 Myriam DERRE Memoria ~ Tabla de ilustración Página | 36 TABLA DE ILUSTRACIÓN Figura 1 - Pieza realizada por impresión 3D - www.standon.be ....................................................... 7 Figura 2 - Pieza en curso de realización por una impresora 3D - www.3dnatives.com ................. 8 Figura 3 - Pieza realizada por estereolitografía ............................................................................... 12 Figura 4 - Pieza realizada por MDF .................................................................................................. 12 Figura 5 - Esquema de la fabricación por SLA ................................................................................. 12 Figura 6 - Esquema explicativo de las tecnologías DLP y LCD ....................................................... 15 Figura 7 - Realización de una capa sin una lente ............................................................................. 17 Figura 8 - Realización de una capa con una lente ........................................................................... 17 Figura 9 - Esquema de una fuente de luz a través de una lente divergente ................................... 18 Figura 10 - Comparación de una lente de Fresnel (1) y de una lente clásica (2) de misma distancia focal .................................................................................................................................... 18 Figura 11 – El modelo actual de impresora 3D DLP ........................................................................ 19 Figura 12 - Comparación de ambas soluciones ................................................................................ 19 Figura 13 - Brazo de elevación del prototipo actual ........................................................................ 20 Figura 14 - El prototipo precedente ................................................................................................. 20 Figura 15 - Tamaño máximo de una pieza ....................................................................................... 21 Figura 16 - Sistema de desplazamiento 1......................................................................................... 23 Figura 17 - Sistema de desplazamiento 2 ........................................................................................ 23 Figura 18 - El sistema de desplazamiento ....................................................................................... 25 Figura 19 - Piezas a estudiar del sistema de desplazamiento ......................................................... 25 Figura 20 - Defecto de espesor ........................................................................................................ 26 Figura 21 - Sistema de desplazamiento ........................................................................................... 28 Figura 22 - Soporte de la pieza ........................................................................................................ 28 Figura 23 - Soporte de la pieza ........................................................................................................ 28 Figura 24 - Evolución posible del soporte de la pieza .................................................................... 29 Figura 25 - Colocación de la cuba .................................................................................................... 29 Figura 26 - Evolución posible de la cuba ......................................................................................... 29 Figura 27 - El sistema de proyección ............................................................................................... 30 Figura 28 - Conjunto de la lente divergente .................................................................................... 30 Figura 29 - Colocación en longitud .................................................................................................. 30 Figura 30 - Placa soporte del proyector .......................................................................................... 30 Figura 31 - Conjunto de la lente de Fresnel ...................................................................................... 31 Figura 32 - Dos posibilidades para el soporte .................................................................................. 31 Figura 33 - Lente de Fresnel, primera solución ............................................................................... 31 Figura 34 - Lente de Fresnel, segunda solución .............................................................................. 31 Figura 35 - Colocación de tornillos .................................................................................................. 32 Figura 36 - Conjunto global de la impresora 3D ............................................................................. 32 Figura 37 - Estructura de los ensayos .............................................................................................. 33 Diseño de una impresora 3D DLP Junio 2014 Myriam DERRE Anexos ~ Ensayos del sistema de proyección Página | 37 BIBLIOGRAFÍA FUENTES VIRTUALES General http://www.techniques-ingenieur.fr/ http://fr.wikipedia.org/ http://es.wikipedia.org/ http://en.wikipedia.org/ http://www.monunivers3d.com/guide/histoire/ Impresoras 3D http://www.be-3d.fr http://impresora3dprinter.com http://formlabs.com/ http://www.robotfactory.it http://www.3dnatives.com Proyectores Sitios web de las marcas presentadas http://www.ldlc.com http://www.lesnumeriques.com Resinas Sitios web de los fabricantes de las resinas presentadas http://www.dymax.com/ http://www.femto-st.fr http://3dprinter.wikidot.com/photoactive-resins Lentes Sitios web de los fabricantes de las lentes presentadas http://www.optics-concept.fr http://www.greenlightsl.com http://www.first-glass-optics.de/ MEMORIA DE TRABAJO DE FIN DE MÁSTER Proyecto de fin de máster de Javier Otero Ballesteros, “Diseño y fabricación de una impresora 3D de bajo coste basada en tecnología DLP.”, realizado en 2013.