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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) GRADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA Especialidad Mecánica
Montaje, calibracion y optimizacion de una impresora 3D cartesiana modelo FDM Prusa Steel PRO.
Autor: Francisco de las Alas-Pumariño Gonzalo Director: Mariano Jimenez Calzado
Madrid JULIO 2016
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) GRADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA Especialidad Mecánica
Montaje, calibracion y optimizacion de una impresora 3D cartesiana modelo FDM Prusa Steel PRO.
Autor: Francisco de las Alas-Pumariño Gonzalo Director: Mariano Jimenez Calzado
Madrid JULIO 2016
MONTAJE, CALIBRACIÓN Y OPTIMIZACIÓN DE UNA IMPRESORA 3D CARTESIANA MODELO FDM PRUSA STEEL PRO.
Autor: De Las Alas-Pumariño Gonzalo, Francisco Director: Jiménez Calzado, Mariano
Entidad Colaboradora: ICAI - Universidad Pontificia Comillas
RESUMEN DEL PROYECTO
Introducción: La historia del hombre está relacionada estrechamente con su capacidad para modificar el medio y usarlo en su beneficio propio. En esta transformación las herramientas y técnicas de fabricación han tenido un papel muy relevante, siendo más específico el uso de las herramientas fabricadas progresivamente. Estas tecnologías han ido evolucionando junto con la humanidad, de las técnicas más básicas como el tallaje, corte o moldeado de objetos. Estos sistemas de fabricación se han desarrollado de forma que cada vez se obtiene mayor fiabilidad y precisión en las piezas. Sin embargo, estas tecnologías presentan el inconveniente, aun con los avances de hoy en día, de que cuando la geometría de la pieza a crear es demasiado compleja esta se debe conformar a partir de piezas más pequeñas mediante uniones como tornillos o adhesivos. Esto, además de generar un sobrecoste en la conformación del conjunto final también hace que pierda precisión principalmente debido a las uniones. La tecnología que se trata en este proyecto es la fabricación por adición, que gracias al empleo de un material de soporte puede generar geometrías que son imposibles utilizando otros sistemas de fabricación. Dentro de estas tecnologías de fabricación encontramos muchos tipos que se pueden clasificar según el método utilizado para solidificar el medio y según el material utilizado. Así podemos discernir entre tecnologías basadas en la compactación de polvo, las basadas en la cristalización de una resina fotosintética y por ultimo las basadas en la adición de capas de material fluido que después se solidifica.
Esta última tecnología es la que utiliza la impresora 3D que ocupa el proyecto, en concreto deposita plástico (PLA) en pequeños hilos que se superponen solidificando y formando una pieza.
Figura 1 Pieza formada por adicción de capas
Montaje: El principal objetivo de este Proyecto es conseguir un perfecto funcionamiento de la impresora a montar, así como entender su forma de trabajar a fin de ser capaz de implementar mejoras en el mismo Siguiendo el manual de montaje proporcionado por el fabricante descubriendo en él ciertos pasos que se encuentran en un orden inadecuado, así como otros en los que no estaba suficientemente especificado como se debía proceder. Estos problemas no hicieron imposible el correcto montaje de la impresora si bien provocaron retrasos en el mismo, llegando en ciertas ocasiones a tener que deshacer trabajo realizado para acceder a ciertas partes de la estructura, teniendo después que rearmar lo desmontado. Esta parte del proyecto ha sido la más problemática ya que algunos de los componentes han tenido que volver a ser suministrados por el fabricante impidiendo que el montaje avanzara al ritmo previsto. Además, se dependía completamente del proveedor y teniendo en cuenta que el orden de montaje es algo prioritario a seguir, este tipo de situaciones paralizaba el proyecto por completo.
Una vez finalizado el montaje, al menos de forma funcional, comienza la calibración de la impresora a fin de conseguir un funcionamiento óptimo.
Calibración y optimización: En esta parte del proyecto se trataba de conectar correctamente el mecanismo montado con un software de control que permite trabajar a la impresora. Existen varios programas que permiten el manejo de la impresora, si bien, el utilizado fue el pronterface. El problema principal en este proceso fue el reconocimiento de la impresora por parte del programa ya que primeramente no se conseguía siquiera que el ordenador se conectara con la impresora. Esto sucedía por que la impresora necesitaba más intensidad que la del puerto USB para ser reconocida, sin embargo, la recomendación era de no suministrar corriente externa a la impresora sin conectarla con el ordenador previamente. Finalmente se optó por conectar la impresora a la corriente, lo que en un principio resultó, pero tras pocos minutos la placa de arduino se quemó. Tras sustituir las piezas estropeadas y volviendo a realizar los mismos pasos esta vez se obtuvo un resultado satisfactorio consiguiendo que el software reconociera la impresora y pudiendo controlarla a través del pronterface. Este programa permite variar gran cantidad de parámetros de impresión, permitiendo ver el efecto en las piezas impresas de tal forma que se pueden conseguir unos parámetros óptimos en función de los requerimentos para la pieza. Por ejemplo, permite variar la altura de capa o la velocidad de movimiento del extrusor. Se pueden ponderar las magnitudes a fin de conseguir una velocidad de fabricación o una precisión requeridas.
Conclusiones: Esta impresora es uno de los principales exponentes de la tecnología de fabricación por adicción a nivel usuario. Emplea la tecnología más barata de todas las hasta ahora desarrolladas consiguiendo unos resultados de precisión y unas características físicas del material aceptables. Este proyecto me ha permitido adquirir gran cantidad de conocimientos acerca de este tipo de fabricación, además las similitudes con otro tipo de impresoras 3D permiten que la familiarización con la calibración y el manejo de esta impresora se pueda extrapolar a otras similares
Se trata de una tecnología extremadamente útil para pequeñas series de piezas, ya que tan solo se precisa de un diseño en 3D para realizar la pieza, no como en otras metodologías de fabricación que requieren la fabricación de útiles o moldes específicos para cada pieza. Es una incógnita como evolucionara esta tecnología en un futuro ya que el desarrollo avanza a pasos agigantados. Incluyendo los demás tipos de fabricación aditiva, se trata de una tecnología joven en la que tiene muchos medios involucrados en su desarrollo debido a su gran utilidad. En definitiva, este proyecto ha sido de gran utilidad ya que los conocimientos adquiridos se pueden emplear fácilmente de cara al manejo de maquinaria de fabricación en 3D y para la fabricación en plástico, incluso en el trato con proveedores, de forma que ha complementado de manera excelente mi formación.
Figura 2 Impresora completa
ASSEMBLY, CALIBRATION AND OPTIMIZATION OF CARTESIAN 3D PRINTER MODEL FDM PRUSA STEEL PRO.
A
Author: De Las Alas-Pumariño Gonzalo, Francisco Director: Jiménez Calzado, Mariano Collaborating Entity: ICAI - Universidad Pontificia Comillas
ABSTRACT OF THE PROYECT
Introduction:
Man history is strongly involved with the ability of modifying the environment in order to use it in its own benefit. In this process, both tools and manufacturing techniques have played a main roll, being even more specific the use of progressively improved tools. These technologies have evolved along with mankind, from the most basic techniques such as sculpting, cutting or moulding objects. These manufacture proceedings have developed so higher reliability and precision in making parts is progressively achieved. Nevertheless, these technologies have to face a problem, even with the advanced state of the art achieved, when the geometry of the part to make is far too complex and must be made by a combination of smaller parts linked by the means of bolts or adhesives. This, apart from causing higher costs in the production of the final product, leads to an accuracy loss because of the play coming from links. Technology which involves this project is aimed to the manufacture by adding, that by means of the use of a base material is able to create geometries which are impossible to achieve by other manufacture systems. Among these manufacturing technologies we find many types that can be classified according to the material solidifying method or the base material used. This way we can distinguish among different technologies which are based in dust compression techniques, from those based in photosynthetic resin crystallisation and, finally, those based in addition of layers of fluid material that solidifies latter on.
This later technology is the one used by the 3D printer that this project deals with, by depositing thin plastic threads that overlap and solidify conforming a part.
Figura 3 Part maked by adition of layers
Assembly:
The main objective of this project is to achieve a faultless operation of the printer to assemble, as long as to understand its working procedure in order to be able to implement improvements in the working process. Following the assembly instructions provided by the manufacturer some misleading indications and other obviously incomplete where spotted. These problems didn´t impede the proper assembly of the 3D printer, though they caused some delays, making sometimes necessary to go back several steps in the assembly process to gain access to certain parts of the structure, and then continue with the assembly. This part of the Project was the most troublesome, because some of the components needed to be sourced again by the manufacturer thus preventing the assembly process to advance at the expected speed. Moreover, the entire assembly project was dependent on the manufacturer´s ability to provide the parts missing, and bearing in mind the priority of strictly observing the order of the assembly phases, these situations led to the entire paralysation of the Project several times.
Once the assembly process ended, the printer calibration started aiming its optimal operation.
Calibration and optimization:
In this part of the project, the objective was to connect the mechanism assembly with a software that lets the printer Works. There are some programs that can make the printer work, we choose pronterface. The main problem in this process was that the printer cannot be recognised by the computer because of a lack of intensity on the USB port. The printer should be connected to de electric system to be recognised but needed also to download some information from the computer previously. Finally, we decided to connect the printer to the electric system which appears to work but suddenly the arduino plate was burnt. Later on, replacing the broken parts and following the same steps, we obtain a positive result because the software recognised the printer so we could control it from the computer using pronterface. This program let us change a lot of parameters in order to see the effect on the printed parts so we can calibrate it to get the optimum quality and precision, depending on the requirements of the part. For example, with pronterface you can change the height of the layers or the speed of the extruder so we can achieve the rate of fabrication or the precision required.
Conclusion:
This printer is one of the main exponents of the addition manufacturing technologies at user level. It employs the cheapest technology that have been developed with an acceptable precision and quality of material. This project let me learn a lot about this type of manufacturing. It´s similarity with other kind of 3D printers allowed me to get used to the calibration and use of any kind of printer. It is an extremely useful technology for producing in short series, because you only need to have a 3D model, not like in other kind of technologies that need a specific tool or mould to make each part.
We do not know how this technology is going to evolve because it is progressing very fast. Including the rest types of addition manufacturing, it is a kind of a new technology that have a lot of means involved in its development due to its huge usefulness. In conclusion, this project has been very useful for me because the knowledge that I have acquire I can apply it easily to the use of 3D printers or to make parts with plastic, even dealing with the suppliers. These skills do complete my academic training in an excellent way.
Figura 4 Printed finished
Montaje, calibración y optimización de impresora 3D
FRANCISCO NICOLÁS DE LAS ALAS-PUMARIÑO GONZALO
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Montaje, calibración y optimización de impresora 3D
INDICE DE LA MEMORIA MEMORIA ............................................................................................................................... 9 1 Introducción...................................................................................................................................... 11 1.1 Motivación .......................................................................................................................... 11 1.2 Marco Histórico ................................................................................................................... 12 1.2.1 Tecnologías previas.............................................................................................................. 12 1.2.2 Desarrollo de la fabricación aditiva ...................................................................................... 14 1.2.3 Tipos de fabricación aditiva.................................................................................................. 14 2
Montaje....................................................................................................................................... 21 2.1 Introducción ........................................................................................................................ 21 2.2 Estructura............................................................................................................................ 23 2.3 Ejes...................................................................................................................................... 26 2.3.1 Bandeja de impresión .......................................................................................................... 26 2.3.2 Estructura eje x.................................................................................................................... 28 2.3.3 Motores .............................................................................................................................. 30 2.4 Extrusor ............................................................................................................................... 34 2.5 Cama caliente ...................................................................................................................... 35 2.6 Placa arduino....................................................................................................................... 37 2.7 Endstops.............................................................................................................................. 39 2.8 Conexiones .......................................................................................................................... 44 2.8.1 Placa arduino....................................................................................................................... 44 2.8.2 Fuente de alimentación ....................................................................................................... 46 2.9 Pantalla LCD ........................................................................................................................ 48 2.9.1 Primer montaje ................................................................................................................... 48 2.9.2 Incidencia ............................................................................................................................ 49 2.10 Material de impresión.......................................................................................................... 52
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Calibración .................................................................................................................................. 55 3.1 Introducción ........................................................................................................................ 55 3.2 Software de arduino ............................................................................................................ 55 3.3 Descarga de arduino ............................................................................................................ 56 3.3.1 Incidencia ............................................................................................................................ 57 3.4 Pronterface ......................................................................................................................... 60 3.4.1 Conexión ............................................................................................................................. 60 3.4.2 Calibración .......................................................................................................................... 61 3.4.3 Conversión de archivos e impresión ..................................................................................... 62 3.4.4 incidencia final .................................................................................................................... 63
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Optimización del Proyecto........................................................................................................... 65 4.1 Introducción ........................................................................................................................ 65 4.2 Montaje............................................................................................................................... 65 4.3 Calibración .......................................................................................................................... 67 4.3.1 Slic3r ............................................................................................................................... 67 4.4 Manejo de la impresora ....................................................................................................... 71
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Mantenimiento ........................................................................................................................... 73 5.1 Mantenimiento de partes móviles .............................................................................................. 73
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5.2 Mantenimiento del sistema de extrusión .................................................................................... 74 5.3 Mantenimiento de la superficie de impresión ............................................................................. 75 5.4 Filamento ................................................................................................................................... 75
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Estudio económico ...................................................................................................................... 77 6.1 Costes.................................................................................................................................. 77 6.2 Estimaciones........................................................................................................................ 78 6.3 Datos ................................................................................................................................... 78 6.3.1 Generales ............................................................................................................................ 78 6.3.2 Anuales ............................................................................................................................... 79 6.3.3 A la hora .............................................................................................................................. 79
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Conclusiones ............................................................................................................................... 81
Bibliografía .......................................................................................................................................... 83 Manual de montaje .......................................................................................................................... 83 Información ..................................................................................................................................... 83 Figuras ............................................................................................................................................. 83
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INDICE DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1 Puesto de trabajo ................................................................................................21 Ilustración 2 Contenido del kit .................................................................................................22 Ilustración 3 Tornillería ...........................................................................................................23 Ilustración 4 Estructura de la impresora embalada .................................................................. 23 Ilustración 5 Ensamblaje de la estructura ................................................................................24 Ilustración 6 Defecto de fabricación ........................................................................................24 Ilustración 7 Unión reparada. ..................................................................................................25 Ilustración 8 Estructura inicial .................................................................................................25 Ilustración 9 Bandeja de impresión (previo montaje)............................................................... 26 Ilustración 10 Bandeja de impresión (detalle).......................................................................... 27 Ilustración 11 bandeja y estructura .........................................................................................27 Ilustración 12 Bandeja de impresión (mecanismo)................................................................... 28 Ilustración 13 Varillas con longitud errónea ............................................................................ 28 Ilustración 14 Varillas de longitud correcta ..............................................................................29 Ilustración 15 Estructura del eje ..............................................................................................29 Ilustración 16 Motor eje y .......................................................................................................30 Ilustración 17 Sujeción correa eje y .........................................................................................30 Ilustración 18 Zunchado ..........................................................................................................31 Ilustración 19 Soporte extrusor (pieza impresa)....................................................................... 31 Ilustración 20 Cuba de ultrasonidos.........................................................................................32 Ilustración 21 Todos los motores situados ............................................................................... 32 Ilustración 22 Sujeción correa eje x .........................................................................................33 Ilustración 23 Extrusor (previo montaje).................................................................................. 34 Ilustración 24 Extrusor (posición final) ....................................................................................34 Ilustración 25 Cama caliente ...................................................................................................35 Ilustración 26 Cama caliente montada.....................................................................................35 Ilustración 27 Cables cama caliente .........................................................................................36 Ilustración 28 Regulación de bandeja ......................................................................................36 Ilustración 29 Tornillería aislante.............................................................................................37 Ilustración 30 Placa ramps.......................................................................................................37 Ilustración 31 Placa aarduino y RAMPS posición ...................................................................... 38 Ilustración 32 Endstop.............................................................................................................39 Ilustración 33 Acoplamiento varilla-endstop............................................................................39 Ilustración 34 Pieza reimpresa.................................................................................................40 Ilustración 35 Endstops eje x y eje z ........................................................................................41 Ilustración 36 Endstop eje y ....................................................................................................41 Ilustración 37 Enstop eje y ......................................................................................................42 Ilustración 38 Motor eje y (mal colocado)................................................................................ 42 Ilustración 39 Motor eje y .......................................................................................................43 Ilustración 40 Conexiones previas al portacables ..................................................................... 44 Ilustración 41 Cableado semicompleto ....................................................................................44 Ilustración 42 Cadeneta portacables (vista lateral) .................................................................. 45
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Montaje, calibración y optimización de impresora 3D Ilustración 43 Cadeneta portacables (vista frontal) .................................................................. 45 Ilustración 44 Conector de trébol desglosado .......................................................................... 46 Ilustración 45 Fuente de alimentación..................................................................................... 46 Ilustración 46 Conexiones ....................................................................................................... 47 Ilustración 47 Fuente de alimentación en la estructura ........................................................... 47 Ilustración 48 Componentes LCD ............................................................................................. 48 Ilustración 49 LCD (vista superior) ........................................................................................... 48 Ilustración 50 LCD (estructura) ................................................................................................ 49 Ilustración 51 Estructura LCD rota ........................................................................................... 49 Ilustración 52 Soporte LCD (sierra) .......................................................................................... 50 Ilustración 53 Soporte LCD (cizalla).......................................................................................... 50 Ilustración 54 Sujeción LCD ..................................................................................................... 51 Ilustración 55 Reparación LCD ................................................................................................. 51 Ilustración 56 Estructura bobina de hilo .................................................................................. 52 Ilustración 57 soporte bobina de hilo (montado) ..................................................................... 52 Ilustración 58 Bobina de hilo (montada) .................................................................................. 53 Ilustración 59 Placas RAMPS ................................................................................................... 57 Ilustración 60 Placa arduino (quemada) .................................................................................. 58 Ilustración 61 Estañado ........................................................................................................... 59 Ilustración 62 Pronterface ....................................................................................................... 60 Ilustración 63 Extrusion en ponterface .................................................................................... 61 Ilustración 64 Print settings (1/2) ............................................................................................ 68 Ilustración 65 Printing settings (2/2)........................................................................................ 69 Ilustración 66 filament settings ............................................................................................... 69 Ilustración 67 Printer settings.................................................................................................. 70 Ilustración 68 Varilla engrasada............................................................................................... 73 Ilustración 69 Boquilla extrusor ............................................................................................... 74 Ilustración 70 Base de impresión ............................................................................................. 75 Ilustración 71 Impresora terminada ........................................................................................ 81
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INDICE DE FIGURAS
Figura 1 Técnicas de procesamiento ........................................................................................13 Figura 2 Operaciones de ensamble ..........................................................................................13 Figura 3 Esquema de tecnologías de fabricación...................................................................... 14 Figura 4 Tecnología SLS ...........................................................................................................15 Figura 5 Tecnología EBM .........................................................................................................16 Figura 6 Tecnología Poliyet......................................................................................................16 Figura 7 Tecnología SLA...........................................................................................................17 Figura 8 Tecnología SGC ..........................................................................................................17 Figura 9 Tecnología LOMS .......................................................................................................18 Figura 10 Tecnología Three dimensional printing.....................................................................18 Figura 11 Tecnología LENS.......................................................................................................19 Figura 12 Tecnología FDM .......................................................................................................20 Figura 13 Tabla de software ....................................................................................................55 Figura 14 Aduino 1.05 .............................................................................................................56 Figura 15 Administrador de dispositivos ..................................................................................56 Figura 16 Grafico temperaturas...............................................................................................62 Figura 17 Slic3r........................................................................................................................62 Figura 18 Pieza impresa ..........................................................................................................63 Figura 19 Bridas ......................................................................................................................65 Figura 20 Paso 11 conexiones..................................................................................................66 Figura 21 Paso 16 Cadeneta portacables ................................................................................. 66 Figura 22 Pasos en orden incorrecto........................................................................................66 Figura 23 Configuración placa electrónica ...............................................................................67 Figura 24 Slic3r........................................................................................................................67 Figura 25 Patrones de relleno..................................................................................................68 Figura 26LCD menú principal ...................................................................................................71 Figura 27 Info screen...............................................................................................................71 Figura 28 LCD menú prepare ...................................................................................................71 Figura 29 LCD movimiento manual ejes ...................................................................................72 Figura 30 LCD menú control ....................................................................................................72 Figura 31 LCD menú print from SD ..........................................................................................72 Figura 32 Bobinas de PLA ........................................................................................................75 Figura 33 Catalogo de venta de impresoras .............................................................................77 Figura 34 Correo del proveedor...............................................................................................77
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Memoria
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1 Introducción 1.1 Motivación: La fabricación de esta impresora comprende un desarrollo de las habilidades y conocimientos adquiridos en la escuela de ICAI. Además, se trata de una tecnología que en mi opinión en un periodo breve de tiempo probablemente será cotidiana y por tanto su manejo y comprensión puede llegar a ser de mucha utilidad en el futuro. Las opciones que presenta son extremadamente variadas ya que mediante un diseño o modelado en 3D se puede lograr obtener la pieza diseñada con una precisión más que aceptable. (La fabricación unitaria de precisión hasta este momento requería una gran cantidad de medios para obtener un buen resultado). Por otro lado, la fabricación en general, me parece una disciplina fundamental para la evolución del ser humano y es un campo en el que siempre cabe la implementación de mejoras. En concreto en el campo de la impresión en 3D las aplicaciones médicas están muy presentes, llegando a realizar incluso órganos artificiales, o prótesis a medida. Este tipo de impresiones también tienen ciertos inconvenientes como puede ser el nivel de precisión superficial o la calidad del material. Durante la optimización de la impresora se tratarán de minimizar los posibles fallos de funcionamiento además de mejorar el proceso de montaje de forma que sea más eficiente. Por tanto, la principal motivación para realizar el proyecto es la familiarización con esta nueva forma de fabricar.
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1.2 Marco Histórico:
1.2.1 Tecnologías previas La historia del hombre está relacionada estrechamente con su capacidad para modificar el medio y usarlo en beneficio propio. En esta transformación las herramientas y técnicas de fabricación han tenido un papel muy relevante, siendo más específico el uso de las herramientas fabricadas progresivamente. La forma de fabricar más primitiva consiste en retirar material de un objeto más grande como se puede observar durante la prehistoria con la realización de objetos cortantes a través del tallado de piedras. Esta técnica se ha ido desarrollando de forma que se ha conseguido mejor precisión y acabado superficial desembocando en las técnicas de mecanizado actuales. Estas técnicas también se pueden relacionar con la deformación de material sin desprendimiento del mismo como puede ser el laminado o el trefilado. Por otro lado, otra técnica de fabricación clásica es el moldeo y fundición el que utilizamos un modelo de la pieza a obtener para realizar un molde en el que fabricar la pieza definitiva. La pieza se consigue vertiendo material fundido en forma de colada y enfriándola de forma que solidifique. Todos estos métodos de fabricación tienen un inconveniente principal, y éste es la limitación para obtener geometrías complejas en una sola pieza. De esta forma para realizar esta pieza deberemos unir varias piezas de menor tamaño mediante pernos o adhesivo. En este caso tanto el coste como el tiempo de fabricación aumentaran de forma notable apareciendo también un coste de ensamblaje. Todos estos problemas se pueden solucionar mediante el empleo de tecnología de fabricación aditiva consiguiendo generar geometrías extremadamente complejas en una única pieza.
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Figura 1 Técnicas de procesamiento
Figura 2 Operaciones de ensamble
En este esquema se puede observar que en los procesos de formato se obvia la fabricación aditiva. Este proceso puede ser finalizado con la aplicación de tratamientos superficiales o incluso operaciones de ensamblaje. Sin embargo, no se deben despreciar las tecnologías de fabricación más tradicionales ya que debido a su antigüedad han sufrido un gran desarrollo a lo largo del tiempo llegando a alcanzar precisiones por debajo del milímetro.
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1.2.2 Desarrollo de la fabricación aditiva. La Fabricación aditiva consiste en la precisa manipulación de un material de forma que al depositarlo forme un sólido. Esta tecnología supone un cambio radical respecto a los procesos empleados hasta el momento. La deposición capa a capa permite generar directamente la geometría que se persigue. Esto se traduce en posibilidades sin precedentes a la hora de diseñar o desarrollar productos con todo tipo de aplicaciones. Además, cabe destacar que es una tecnología muy reciente y que se ha desarrollado sobre todo en los últimos 25 años con lo que todavía quedan muchas innovaciones por implementar.
1.2.3 Tipos de fabricación aditiva ESQUEMA RESUMEN Las tecnologías de fabricación aditiva se pueden clasificar según el tipo de material de partida. De esta forma encontramos tres tipos principales:
Figura 3 Esquema de tecnologías de fabricación
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Además, existe una clasificación de la fabricación aditiva en función de la tecnología utilizada. Así encontramos cuatro principales tecnologías.
En primer lugar, las tecnologías basadas en el uso de láser, entre las que se encuentran SLS, SLA o DMLS entre otras. Sus principales aplicaciones son el prototipado, tooling y fabricación. Por otro lado, existe una tecnología basada en el empleo de un haz de electrones, EBM, y en este caso su única aplicación es la fabricación. Asimismo, también encontramos la tecnología de extrusión, que será la empleada en el proyecto, se trata de un método polivalente que permite el prototipado, tooling y fabricación. Por último, destaca la impresión en 3D que puede emplear como material de impresión resina fotosintética, permitiendo el prototipado y el tooling, así como lecho de polvo, permitiendo el modelado y prototipado.
A continuación, se analizarán las diferentes tecnologías de forma más específica. En primer lugar, las tecnologías basadas en la compactación de polvo, que utilizan plásticos semicristalinos, metales o cerámicas. Entre los métodos utilizados destacan los siguientes.
Selective laser sintering (SLS): Patentada en 1979 comenzó a comercializarse en la década de los 90 Utiliza tanto metal como cerámica y polímeros, aunque para los dos primeros casos es necesario un recubrimiento previo. Permite trabajar con espesores de 100 micras.
Figura 4 Tecnología SLS
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Montaje, calibración y optimización de impresora 3D Electron beam melting (EBM): Fabricada y comercializada en 1997 se trata de una tecnología que funde polvo metálico de varias aleaciones, incluyendo el titanio. Tiene alta velocidad de producción debido a la gran potencia del haz de electrones y gracias a la posibilidad de guiarlo mediante modificaciones en el campo magnético.
Figura 5 Tecnología EBM
Por otro lado, encontramos las tecnologías basadas en la cristalización de una resina fotosintética, entre ellas destacan:
Poliyet: En este caso se trata de una tecnología patentada a finales de la década de los 90 y que comenzó a comercializarse a partir del 2000. Utiliza resinas fotosintéticas de base acrilato. Una de sus principales desventajas es la necesidad de soportes.
Figura 6 Tecnología Poliyet
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Estereolitografía (SLA): Es considerada como la primera tecnología de fabricación aditiva y fue desarrollada en 1986. Polimeriza una resina fotosintética, pero el espesor de capa es de 100 micras lo que hace que no sea una tecnología demasiado precisa.
Figura 7 Tecnología SLA
Solid Ground Curing (SGC): Se trata de un proceso muy similar al SLS. En este caso se utilizan pantallas con patrones dibujados de forma que impiden que el haz de luz solidifique las zonas no pertenecientes a la Figura 8 Tecnología SGC
pieza.
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Por último, encontramos las tecnologías basadas en la adición de capas de material fluido que después se solidifica. En este grupo se encuentran:
Modelado de objetos por laminación (LOMS): Se basa en la adicción de capas de material semifundido que se superponen formando la pieza final.
Figura 9 Tecnología LOMS
Three dimensional printing: Se trata de una tecnología desarrollada en el MIT que utiliza material cerámico. Su única aplicación es el modelado y prototipado. Se coloca una fina capa de un material en polvo y luego se dibuja la capa con un adhesivo.
Figura 10 Tecnología Three dimensional printing
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Conformado en polvo por láser (LENS): Muy similar al proceso FDM que será el que realice la impresora a construir. El material se lleva hasta una boquilla donde se funde y esta lo va depositando en capas.
Figura 11 Tecnología LENS
Robocasting: Utiliza material cerámico en forma de pasta. Esta se conduce a través de un extrusor que la deposita en capas.
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Deposición de hilo fundido (FDM): Se trata de la tecnología empleada en este proyecto. El material de fabricación es un polímero que se hace pasar a través de un extrusor o hotend. Este material se deposita sobre una base denominada cama caliente, debido a que su temperaturade funcionamiento es superior a la temperatura ambiente. El cabezal se mueve con respecto a la cama en los 3 ejes cartesianos de forma que se mueve, por lo general en 2 de Figura 12 Tecnología FDM ellos y la cama permite el tercer movimiento. En este caso concreto la cama se mueve en el eje Y y es el extrusor el que recorre tanto X como Z. se trata de la tecnología más extendida y comenzó a desarrollarse en 1991. Necesita de material de soporte y permite generar las piezas en diferentes tipos de termoplástico.
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2 Montaje 2.1 Introducción El principal propósito de este proyecto es el correcto funcionamiento de la impresora en 3D. Para ello el fabricante provee de una caja con todas las piezas necesarias. La información que se requiere para el correcto ensamblaje de las mismas se puede obtener en un manual que se encuentra en la propia web del fabricante. Si bien esta información no es todo lo precisa que pudiera ser, en mi opinión, es suficiente para que un usuario de nivel medio-alto consiga que la impresora funcione correctamente. Para llevar este funcionamiento a su óptimo, si se ha de indagar tanto en el software como en la propia estructura de impresión ya que el proceso entero se puede ver muy modificado por pequeños detalles que se cambien tanto física como informáticamente. Cabe destacar que en este manual mencionado hay varios cambios a realizar desde mi punto de vista, se adjunta como anexo, y como se puede comprobar hay ciertos pasos que estarían mucho más claros con algo más de información, incluso pasos que se deben deshacer para realizar los siguientes.
Ilustración 1 Puesto de trabajo
Además de este manual al abrir la caja que contiene las piezas nos encontramos la siguiente hoja con información relativa a la impresora: Como se puede observar se trata de un listado del contenido, no contiene una explicación del montaje.
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Ilustración 2 Contenido del kit
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2.2 Estructura Para comenzar el montaje de la impresora se ensambla la estructura de acero. La tornillería para todos los pasos del montaje está especificada por pasos de forma que en el manual se suele indicar a qué bolsa corresponde cada paso.
Ilustración 3 Tornillería
La impresora cuenta con una estructura de acero de placas de 1 mm de grosor. Además, no tiene carcasa alguna por lo que la estructura queda a la vista en el acabado final de la máquina.
Ilustración 4 Estructura de la impresora embalada
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Montaje, calibración y optimización de impresora 3D Mediante el uso de ensamblajes que se aseguran utilizando un tornillo y una tuerca que queda encajada en la estructura, se realizan las uniones entre las piezas
Ilustración 5 Ensamblaje de la estructura
En algunas ocasiones se encontraban pequeños problemas de fabricación en las piezas de la estructura ya que las uniones no encajaban como debieran.
Ilustración 6 Defecto de fabricación
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Montaje, calibración y optimización de impresora 3D Este tipo de problemas fueron fácilmente subsanables gracias a las herramientas de las que dispone el laboratorio de fabricación, en este caso, utilizando una lima para perfilar la unión.
Ilustración 7 Unión reparada
La estructura básica incluidos los soportes de los motores que permitirán el movimiento del extrusor en el eje z es la siguiente:
Ilustración 8 Estructura inicial
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2.3 Ejes En esta impresora la bandeja de impresión es móvil, y en este caso realiza los movimientos en el eje y mientras el extrusor los realizará en el eje x y en el eje z, de forma que el cabezal de extrusión pueda alcanzar cualquier punto del espacio de trabajo de la impresora.
2.3.1 Bandeja de impresión Siguiendo los pasos del manual, se monta la bandeja que se desliza mediante cuatro rodamientos por dos ejes, de forma que la sujeción es firme. Estos ejes se encajan en la estructura mediante presión.
Ilustración 9 Bandeja de impresión (previo montaje)
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En esta imagen se aprecia más en detalle el tipo de sujeción de los rodamientos.
Ilustración 10 Bandeja de impresión (detalle)
Aquí se puede ver la bandeja completa por separado de la estructura.
Ilustración 11 Bandeja y estructura
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Montaje, calibración y optimización de impresora 3D Y finalmente montada en su totalidad.
Ilustración 12 Bandeja de impresión (mecanismo)
2.3.2 Estructura eje x Al comenzar este paso, una de las varillas que sirven como guía para el movimiento no era de la longitud adecuada por lo que se recurrió al proveedor.
Ilustración 13 Varillas con longitud errónea
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Finalmente, la solución fue adquirir otra varilla de otro proveedor ya que el original solo disponía de kits de piezas, y no de ellas por separado.
Ilustración 14 Varillas de longitud correcta
Tras conseguir las piezas adecuadas se procede al montaje de la estructura de eje x que en un principio se encuentra separada de la máquina al montarse sobre las guías del eje z. En esta ilustración aparece ya montada, incluido el soporte del extrusor.
Ilustración 15 Estructura del eje
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2.3.3 Motores Primero, se monta el motor del eje y, es decir, el destinado a mover la bandeja, en esta ocasión la transmisión es mediante una correa dentada, con un único motor situado en la parte trasera de la impresora.
Ilustración 16 Motor eje y
En la parte delantera cuenta con una polea y la correa se une a la bandeja por dos puntos. Este sistema carece de un tensor para la correa, por lo que su correcto montaje resulta bastante dificultoso ya que la correa necesita de cierta tensión para funcionar Ilustración 17 Sujeción correa eje y
correctamente.
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A continuación, se procede al montaje del eje z. En este caso, la transmisión se realiza mediante 2 tornillos infinitos acoplados a los ejes de los motores mediante un zunchado. A su vez estos tornillos se roscan en la estructura del eje x de forma que es ésta la que portará el extrusor.
Ilustración 18 Zunchado
Las piezas encargadas de la unión entre eje x y eje z son piezas realizadas con la misma tecnología de impresión que utiliza esta impresora. Muchas de ellas tenían restos de material de soporte que en algunas ocasiones impedían su uso como en los agujeros pasantes.
Ilustración 19 Soporte extrusor (pieza impresa)
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Utilizando la cuba de ultrasonidos del laboratorio de fabricación se consiguió eliminar casi por completo este material de soporte y facilitó su extracción mecánica.
Ilustración 20 Cuba de ultrasonidos
El motor del eje X se monta sobre una de estas piezas impresas y su transmisión también es con correa, aunque en este caso sí cuenta con un pequeño tensor además de contar con un sistema de sujeción bastante más preciso que el del eje y.
Ilustración 21 Todos los motores situados
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Montaje, calibración y optimización de impresora 3D En este caso la correa se sujeta a la base del extrusor como se puede ver en la imagen.
Ilustración 22 Sujeción correa eje x
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2.4 Extrusor El siguiente paso en el montaje es la colocación el extrusor, para ello previamente se deben quitar dos de los tornillos que sujetan la tapa trasera para sustituirlos por otros que hagan la misma función, pasando a su vez por la estructura, de forma que sujeten el extrusor.
Ilustración 23 Extrusor (previo montaje)
Ilustración 24 Extrusor (posición final)
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2.5 Cama caliente La base de impresión final es un cristal que se calienta hasta los 40 grados gracias a la cama caliente.
Ilustración 25 Cama caliente
Como se puede observar, las conexiones de la misma ya se encontraban realizadas. Añadiéndole un marco de acero y un cristal en la parte superior se completa la configuración. Las uniones se realizan con tornillos.
Ilustración 26 Cama caliente montada
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En esta imagen, vemos cómo los cables que salen de la cama caliente impiden el movimiento correcto de la bandeja. Habrá que recolocarlos para favorecer este movimiento y con suficiente holgura para permitir realizar a la bandeja todo su recorrido. Todos los componentes eléctricos y electrónicos se conectan a la placa de arduino que se colocará posteriormente.
Ilustración 27 Cables cama caliente
Cabe destacar, que la última superficie se conecta al resto de la estructura mediante un tornillo que atraviesa un muelle, lo que permite nivelar la bandeja y ajustar su altura. La sujeción del cristal es mediante pinzas.
Ilustración 28 Regulación de bandeja
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2.6 Placa arduino Además de la cama caliente el extrusor y los motores, a la placa arduino se conectan también los endstops de todos los ejes. La placa de arduino se sitúa en uno de los laterales de la impresora. Para evitar derivaciones en la estructura se aísla mediante tornillos tuercas y separadores de nylon. En este caso los separadores de nylon no estaban en el kit por lo que hubo que recurrir a un proveedor externo para conseguirlos, en concreto RS components.
Ilustración 29 Tornillería aislante
La placa de arduino (color azul) a su vez va conectada a una RAMPS (color rojo) que es la que contiene los pines para la conexión de los componentes electrónicos.
Ilustración 30 Placa ramps
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Su posición final en la maquina es la siguiente:
Ilustración 31 Placa aarduino y RAMPS posición
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2.7 Endstops En este caso es necesario un endstop para cada eje, son todos iguales, con un resorte que los acciona.
Ilustración 32 Endstop
Tanto para el eje x como para el z, este dispositivo se une a una pequeña pieza impresa que se abraza a las varillas metálicas con suficiente presión como para mantenerlo fijo.
Ilustración 33 Acoplamiento varilla-endstop
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Esta pieza sin embargo se rompió en el eje x, por lo que hubo que hacer un proceso de ingeniería inversa, de forma que se volvió a generar la pieza en otra de las impresoras del laboratorio. Mediante pequeños cambios paramétricos se ajustó el diseño original de forma que cumpliera la misma función, con el mismo tipo de sujeción con una brida y resolviendo el problema inicial de su rotura.
Ilustración 34 Pieza reimpresa
Inicialmente, se realizan impresiones de prueba (material morado) para asegurarse de que el dimensionamiento es el adecuado y posteriormente se realiza la impresión definitiva, con menos distancia entre capas y material de mayor calidad (material amarillo).
El proceso de diseño se realizó mediante el uso de catia, consiguiendo un archivo . stl.
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Montaje, calibración y optimización de impresora 3D Así tanto en el eje x como en el z los endstops se sitúan de la siguiente forma:
Ilustración 35 Endstops eje x y eje z
Sin embargo, para montar el del eje y éste debía ir colocado bajo la bandeja de acero, lugar completamente inaccesible tras montar la cama caliente, como se puede observar en la imagen. La solución pasó por desmontar la cama caliente para volver a montarla tras colocar el dispositivo.
Ilustración 36 Endstop eje y
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Ilustración 37 Enstop eje y
Además, en este punto se tuvo que recolocar uno de los motores ya que su posición no permitía conectar el cable de alimentación.
Ilustración 38 Motor eje y (mal colocado)
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Montaje, calibración y optimización de impresora 3D La operación se pudo realizar sin perder la tensión obtenida en la correa, simplemente quitando los tornillos que sujetan el motor a la estructura y girándolo.
Ilustración 39 Motor eje y
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2.8 Conexiones 2.8.1 Placa arduino Durante el paso de conexiones del manual de montaje, no advierten de la posible existencia de portacables, sólo al final del manual. Esto provocó que una vez efectuadas todas las conexiones y realizadas las uniones entre estructura y cable mediante bridas, tuviera que desechar ese trabajo y colocar la cadeneta portacables. Esta situación me obligó a invertir el doble de tiempo en realizar las conexiones.
Ilustración 40 Conexiones previas al portacables.
En esta imagen se observan los cables de los motores (rojo, azul, verde, negro), los de los endstops (amarillo, negro, rojo), los controles de temperatura de cama y extrusor (blanco) asi como la alimentación general (rojo y negro). Ilustración 41 Cableado semicompleto FRANCISCO NICOLÁS DE LAS ALAS-PUMARIÑO GONZALO
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Montaje, calibración y optimización de impresora 3D Finamente, incluyendo el portacables, el aspecto exterior de la impresora mejora. Además, presenta la ventaja de que evita que el cable interfiera en el movimiento de la máquina.
Ilustración 42 Cadeneta portacables (vista lateral)
Ilustración 43 Cadeneta portacables (vista frontal)
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2.8.2 Fuente de alimentación Es importante recalcar, que hasta que no se comenzó la calibración no se conectó a la corriente. La toma de corriente se realiza mediante el desglose de un conector en trébol.
Ilustración 44 Conector de trébol desglosado
La fuente alimenta de manera directa al ventilador del extrusor, así como a la propia RAMPS
Ilustración 45 Fuente de alimentación
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Montaje, calibración y optimización de impresora 3D A continuación, se conecta también la placa al ordenador mediante un USB. Esta conexión es necesaria para descargar información en la placa arduino, aunque en este caso la información estaba previamente implementada.
Ilustración 46 Conexiones
Finalmente, la fuente de alimentación se atornilla a la propia estructura una vez comprobadas todas las conexiones.
Ilustración 47 Fuente de alimentación en la estructura
Durante el funcionamiento de la impresora solo es necesaria la corriente, ya que puede funcionar independientemente del ordenador. Solo necesita un archivo de impresión. Por tanto, la impresora se puede manejar desde el ordenador o bien desde la pantalla LCD, que resulta bastante más intuitivo.
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2.9 Pantalla LCD 2.9.1 Primer montaje Se trata de un componente opcional, que permite manejar la impresora sin necesidad de conectarla a un ordenador. Esta se conecta a la RAMPS mediante un peine prediseñado que en este caso tenía un pequeño defecto, de forma que dificultaba bastante su conexión.
Ilustración 48 Componentes LCD
En esta ocasión la estructura es de plástico y se sitúa en la parte frontal.
Ilustración 49 LCD (vista superior)
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Montaje, calibración y optimización de impresora 3D Se trata de una prolongación de la estructura, por lo que parte del peso de la misma descansa en ella.
Ilustración 50 LCD (estructura)
2.9.2 Incidencia Esta situación provocó la rotura de la estructura de la pantalla LCD como se puede observar en la imagen.
Ilustración 51 Estructura LCD rota
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La solución a esta incidencia fué fabricar una pieza nueva que realizara la misma función que la pieza rota. Se decide hacer una bandeja de aluminio que sostenga la LCD. Se utilizan para ello las maquinas del laboratorio, entre ellas la sierra, la cizalla, el taladro y la dobladora manual.
Ilustración 52 Soporte LCD (sierra)
Ilustración 53 Soporte LCD (cizalla)
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Montaje, calibración y optimización de impresora 3D Finalmente, la nueva pieza se une a la estructura anterior mediante dos bridas como se puede observar en la imagen.
Ilustración 54 Sujeción LCD
El resultado final es una estructura más robusta que realiza la misma función que la anterior.
Ilustración 55 Reparación LCD
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2.10 Material de impresión En este caso el material de impresión está recogido en una bobina que lo va suministrando al extrusor. Esta bobina se monta sobre un soporte de acero formado por estas tres piezas:
Ilustración 56 Estructura bobina de hilo
Como se puede observar la pieza que será el eje de la bobina se encaja simplemente por gravedad en las otras dos.
Ilustración 57 Soporte bobina de hilo (montado)
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Montaje, calibración y optimización de impresora 3D Finalmente se sitúa la bobina en posición y se introduce el extremo del hilo en el extrusor. Durante el funcionamiento de la maquina el hilo será impulsado por el extrusor y la bobina girará libremente. El aspecto final es el siguiente.
Ilustración 58 Bobina de hilo (montada)
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3 Calibración 3.1 Introducción Una vez montada la impresora, se debe calibrar para conseguir un funcionamiento adecuado. La calibración consiste en fijar los parámetros de impresión, tales como la velocidad de extrusión o la temperatura de extrusor y cama caliente, para que las piezas impresas tengan las características y la precisión deseada. Esto se realiza mediante un software de control de la impresora, en este caso Pronterface. Previamente se debe descargar el software del arduino.
3.2 Software de arduino El software a instalar depende del tipo de kit de impresión que se ha adquirido. En este caso se trata de una placa de arduino+RAMPS 1.4 A4988 y el kit es el pro easy built. Este software se denomina Marlin.
Figura 13 Tabla de software
En esta tabla se aprecian los diferentes tipos de software en función del kit. En principio se debe instalar el software correspondiente, pero en el kit pro easy built viene preinstalado por lo que este paso no sería necesario. Aun así, se realizó por desconocimiento, esto no tuvo ninguna repercusión en el funcionamiento de la impresora.
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3.3 Descarga de arduino Para implementar el programa interno, paso innecesario en este caso, se debe descargar el arduino 1.05. Se debe cambiar el lenguaje de arduino al MEGA 2560 o Mega ADK de forma que la impresora reconozca los archivos.
Figura 14 Aduino 1.05
Una vez instalado el programa y conectada la impresora mediante el puerto COM, se selecciona el archivo marlin.ino y se implementa en el arduino. Si hubiera problemas a la hora de seleccionar este puerto se debe acceder a la administración de dispositivos donde se adquiere toda la información relativa a los puertos COM. Por otro lado, también permite saber si el ordenador reconoce o no los dispositivos externos, en este caso la propia impresora.
Figura 15 Administrador de dispositivos
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3.3.1 Incidencia En este punto encontramos la primera de las problemáticas de calibración. La intensidad que proporciona un puerto USB para hacer funcionar el dispositivo enchufado no es suficiente para la placa de arduino, por lo que la única forma de que el ordenador reconozca la impresora enchufada es conectando la fuente de tensión de la misma, alimentando a la impresora con suficiente intensidad. Se decide seguir esta vía y en principio ocurre lo esperado, es decir, el ordenador reconoce la impresora y permite la conexión entre ambos. Pocos minutos después se produce una pequeña combustión en la placa de arduino+RAMPS cuyo foco en principio es desconocido. También se ignoran las causas de la incidencia por lo que se recurre al proveedor que achaca el problema a una mala conexión. Se opta por cambiar la placa RAMPS y comprobar si el funcionamiento del resto de la impresora es correcto.
Ilustración 59 Placas RAMPS
Las piezas verdes que se observan son los drivers de los motores, que se tuvieron que trasladar de una placa a la otra respetando su posición.
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Durante el desmontaje aparece la siguiente evidencia del fallo.
Ilustración 60 Placa arduino (quemada)
Como se puede observar en la imagen, es el regulador de tensión de la placa de arduino lo que se averió en un principio. Esta avería afecta de forma que la impresora puede seguir funcionando con la placa en este estado, pero deberá estar siempre enchufada al ordenador mediante el USB, ya que sin ese componente es incapaz de convertir de 12V a 5V. Se decide sustituir también esta placa para favorecer la autonomía de la impresora.
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Se realizan las conexiones tal y como se habían realizado la primera vez, estañando cada cable, esta vez con resultado satisfactorio, ya que pasados unos minutos del comienzo de la alimentación nada parece indicar ningún error, y la impresora se comporta como se espera de ella.
Ilustración 61 Estañado
Cabe destacar que algunos de los cables tenían demasiada sección para entrar en sus respectivos conectores, por lo que se optó por reducir esa sección cortando algunos de los hilos de cobre a fin de asegurar las conexiones y que no ocurrierra ningún falso contacto de nuevo.
Llegados a este punto, y siendo consciente de que en la nueva placa no se debe volver a implementar, el archivo de marlin.ino se continua con la calibración de la impresora.
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3.4 Pronterface Este es el programa encargado de manejar y calibrar la impresora desde el ordenador. Es la única manera de realizarlo, ya que el LCD permite solo el manejo de la impresora, no su calibración. Solo permite cambiar unos pocos parámetros predeterminados como el cambio de la temperatura en la cama caliente, pero estas temperaturas se deben definir en el propio ponterface.
3.4.1 Conexión Así se debe conectar la impresora mediante el cable USB enchufando está a la corriente de forma que el ordenador la reconozca.
Ilustración 62 Pronterface
En esta imagen se aprecia cómo tanto el puerto COM como el resto de parámetros se encuentran seleccionados, sin embargo, a la hora de conectar la impresora aparece un error con caracteres irreconocibles en la barra de comandos del programa.
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Montaje, calibración y optimización de impresora 3D Este error se solucionó mediante la conexión de la impresora en otro de los puertos y realizando exactamente los mismos pasos, pero con un resultado completamente diferente y satisfactorio en este caso.
3.4.2 Calibración Una vez conectada correctamente la impresora, se calibra la velocidad de extrusión para lo cual, se debe introducir el hilo de plástico manualmente en el extrusor a la vez que se ordena mediante el programa una distancia concreta. Una vez el cable se ha introducido en el extrusor, la impresora continuará extrayendo la distancia requerida sin necesidad de ayuda externa. La extrusión se regula mediante dos parámetros principales, la velocidad de extrusión y la distancia a extrudir. Estos parámetros tienen unos valores recomendados, aunque se pueden variar a fin de conseguir una mayor velocidad de impresión o una mayor precisión en la pieza.
Ilustración 63 Extrusion en ponterface
Tras esto se debe calibrar cada motor, y ver hacia qué sentido avanza por el eje. En caso de no avanzar hacia el endstop, se debe invertir la alimentación del motor de forma que gire hacia el otro lado. En este caso solo fue necesario realizar este paso en el eje y. Los avances de
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Montaje, calibración y optimización de impresora 3D los motores se pueden realizar de manera manual moviéndolos cierta distancia, o automática con el botón de autohome. La otra regulación principal que proporciona este software es la de la temperatura del extrusor, así como de la cama caliente. Además, cuenta con una gráfica que muestra la evolución de la temperatura en tiempo real en ambas posiciones.
Figura 16 Grafico temperaturas
Una vez regulados todos estos aspectos para la impresión de cualquier tipo de pieza, para cada pieza se realizan unos ajustes propios de la misma.
3.4.3 Conversión de archivos e impresión Primeramente, cabe destacar que el programa utilizado solo permite imprimir archivos del tipo G-code. Lo cual hace necesaria una herramienta que permita convertir los archivos de . stl a G-code. El programa seleccionado fue el slic3r.
Figura 17 Slic3r
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Sin embargo, a pesar de ajustar todos los parámetros de impresión que este programa permite y habiendo convertido el archivo, incluso habiéndolo posicionado en la bandeja de impresión con el ponterface, la impresora no imprime y no se consigue averiguar la causa, ya que mediante comandos aislados si extruye y se mueve.
3.4.4 incidencia final Este problema se une a que la pantalla LCD que funcionó correctamente los primeros días no muestra nada y no se trata de un problema del contraste de la misma, ya que por mucho que se ajuste este parámetro la pantalla sigue sin mostrar menú alguno. Por todas estas problemáticas se decide recurrir al servicio técnico de la impresora que optó por sustituir todas las piezas que pudieran estar generando el fallo, así como la pantalla LCD en su totalidad sin saber diagnosticar el problema anteriormente surgido. Como consecuencia se volvió a sustituir el soporte de la LCD por el original. Cambiando de nuevo la RAMPS (por tercera vez) la pantalla LCD y el Ventilador, se consiguió el correcto funcionamiento de la impresora. Tras esto solo queda optimizar su funcionamiento mediante la variación de paramentos dentro de cada pieza en Slic3r.
Figura 18 Pieza impresa
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4 Optimización del Proyecto 4.1 Introducción Esta impresora está realmente bien diseñada en cuanto a componentes se refiere, ya que pocas de las piezas que se incluyen en el kit son prescindibles. No se puede decir lo mismo del software de control, que resulta algo más dificultoso en su manejo y no es un programa específico para esta impresora, lo que hace que muchas de las funciones del programa no tengan un uso relevante en nuestro caso.
4.2 Montaje Esta es la etapa que, bajo mi punto de vista, más tiempo desperdicia de forma que en otro orden de pasos se ahorraría más del 50% del tiempo invertido. Esto es debido a que cada vez que se ha de desmontar algo, se añade al proceso un tiempo de desmontaje y uno de montaje posterior superando así el tiempo de un único montaje inicial. Además, durante montaje y desmontaje puede haber piezas que sufran desperfectos o simplemente piezas que estén diseñadas para un único uso por lo que desmontarlas requiere la posterior adquisición de otra pieza para volver a montarla. Esto supondría que además del gasto de tiempo de trabajo tendríamos un gasto de piezas de repuesto, provocado tan solo por una mala organización de los pasos del montaje Un ejemplo básico de este tipo de componente sería una brida:
Figura 19 Bridas
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Como principales cambios en el proyecto para evitar que esto vuelva a suceder se plantean los siguientes: Señalar en el apartado de conexiones que se consulte el paso de la cadeneta portacables previamente, o al menos mencionar la posibilidad de su existencia, ya que al menos en mi caso, desconocía cual era la función de la cadeneta y no fué hasta el paso final cuando me dí cuenta de que debía desconectar prácticamente todos los cables para hacerlos pasar por la cadeneta, incluyendo quitar todas las bridas que había utilizado para guiar los cables a través de la estructura sin dificultar el movimiento.
Figura 20 Paso 11 conexiones
Figura 21 Paso 16 Cadeneta portacables
Colocación de los endstops previamente a la de la cama caliente. Esto generaría menos manipulación de una pieza delicada y menor probabilidad de estropearla, por tanto. Además, dado que no hay espacio físicamente para montar el endstop en su lugar no tiene sentido el orden establecido en el manual de montaje.
Figura 22 Pasos en orden incorrecto
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4.3 Calibración En cuanto a este apartado no queda excesivamente claro en el manual que pasos se han de seguir en función del tipo de placa electrónica con la que opere la impresora. De esta forma si se hicieran manuales de montaje más específicos, se podrían identificar todos los pasos a seguir en función del manual, y no tener que decidir en cada paso qué parte del mismo es la que corresponde a tu máquina, qué parte es común a todas y cual debes ignorar.
Figura 23 Configuración placa electrónica
Por otro lado, esta se trata de una tecnología muy común y este tipo de extrusor ya tiene unos parámetros de funcionamiento muy óptimos que vienen dados por el propio fabricante. Se comprueba variándolos ligeramente, que la impresora consigue piezas de muy baja precisión o emplea demasiado tiempo en una pieza si utilizamos parámetros fuera del rango recomendado.
4.3.1 Slic3r Los parámetros que permite variar esta herramienta hacen que se pueda jugar con la velocidad de impresión y con la precisión del objeto. Fuera de estas características básicas, permite también modificar la densidad de la pieza. Estos parámetros de la pieza dependen a su vez de muchas de las características de impresión, es decir tanto la precisión como la velocidad de impresión dependen de los siguientes parámetros que se definen en slic3r.
Figura 24 Slic3r
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Dentro de esta herramienta encontramos las siguientes opciones:
Ilustración 64 Print settings (1/2)
La altura de capa define cuanto avanza en Z la impresora en cada pasada. A menor altura de capa, mayor precisión y tiempo de impresión.
Tanto “Perimeter” como “Solid layer” define la calidad superficial de la pieza en cuanto al acabado.
“Infill” permite definir la densidad interior de la pieza, así como el tipo de patrón que se utiliza para rellenarla, en este caso panal de abeja.
Figura 25 Patrones de relleno
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“Support material” permite definir el tipo de material de soporte a emplear. En todas las piezas se debe utilizar material de soporte como base, pero este juega un papel de mayor importancia cuando la pieza a imprimir cuenta con partes huecas.
Ilustración 65 Printing settings (2/2)
“Speed” Controla la velocidad de movimiento del cabezal en función de si está depositando material y si es o no material de relleno.
“Brim” se refiere a los bordes de impresión y si se desea dar un acabado distinto.
“Secuencial printing” por último regula, si se están imprimiendo varias piezas simultáneamente, el orden de impresión a las mismas. Por otro lado, encontramos la configuración del filamento:
Ilustración 66 Filament settings
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“Filament” permite definir el diámetro del hilo extruido asi como la relación de extrusión.
“Temperature” permite definir tanto la temperatura del extrusor como la de la cama caliente. En esta ocasión se tiene en cuenta la primera capa, ya que no tiene material al que adherirse, por tanto, sus características pueden variar.
Por último, aparece la configuración de la impresora.
Ilustración 67 Printer settings
“Sice and coordinates” permite definir el punto de inicio de impresión, también se define el espacio de trabajo.
“filmware” requiere definir qué programa se utiliza junto con la herramienta Slic3r.
El resto de parámetros se encuentran predefinidos, solo dependen de la impresora a emplear y para una misma impresora son invariables.
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4.4 Manejo de la impresora El manejo de la impresora se puede hacer tanto desde la LCD como desde el ordenador. Sin embargo, resulta mucho más práctico, rápido e intuitivo realizarlo desde la pantalla LCD.
Figura 26LCD menú principal
En la imagen se aprecia el menú principal de la pantalla LCD. En ella está la opción de que nos proporcione información, así como para preparar la impresión, controlarla u ordenarla directamente desde un archivo de G code desde la tarjeta SD. Encontramos la información de impresión resumida en la siguiente pantalla.
Figura 27 Info screen
Seguidamente encontramos la opción prepare. Este menú permite precalentar la impresora en función del material con el que va a imprimir, estas configuraciones son previamente implementadas en el LCD. Por otro lado, también se puede enfriar la impresora, generalmente una vez impresa la pieza.
Figura 28 LCD menú prepare
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Montaje, calibración y optimización de impresora 3D Además, permite mover tanto los ejes como el extrusor de forma manual como se puede apreciar en la siguiente imagen (seleccionando previamente la distancia a mover).
Figura 29 LCD movimiento manual ejes
En cuanto al menú de control, permite observar en tiempo real como se está produciendo la impresión en cuanto a tiempo de impresión, porcentaje de la impresión realizada incluso permite conocer las temperaturas que afectan en tiempo real.
Figura 30 LCD menú control
Por ultimo encontramos el menu de “print from SD” en el que se pueden seleccionar los archivos de G code previamente introducidos para evitar tener que copnectar un ordenados a la impresora para que esta funcione.
Figura 31 LCD menú print from SD
Como se puede observar en la imagen, permite tanto seleccionar el archivo a imprimir, como pausar y reanudar la impresión, así como detenerla definitivamente.
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5 Mantenimiento En este apartado se explicará el mantenimiento necesario que sea requerido debido al continuado uso de la máquina. Es conveniente mantener la impresora a punto en todo momento de forma que pueda seguir reproduciendo piezas con la calidad deseada. Para cualquiera de las piezas replicables siempre existe la opción de sustituirla si se dispone de otra pieza de repuesto o se puede imprimir una.
5.1 Mantenimiento de partes móviles
Varillas de guía: El único mantenimiento que requiere esta parte es asegurar la lubricación de los rodamientos que las recorren. Este resultado se obtiene consiguiendo que las varillas se mantengan engrasadas de forma que el rozamiento no impida el correcto funcionamiento de la impresora. Poleas: las poleas están en constante fricción con la estructura de la impresora, será necesario engrasarlas bien la primera vez para evitar la fricción. La tensión de las correas y el uso continuado pueden deformar la propia polea al ser de un material bastante menos resistente que el resto de la estructura. Se trata de poleas de material de impresión por lo que, si alguna presentara una deformación suficientemente grande como para dificultar el correcto funcionamiento de la impresora, se podrá imprimir una nueva pieza y sustituirla. Correas: si las poleas no están suficientemente ajustadas, o presentan holguras, las correas se destensan con el uso, simplemente habría que tensarlas otra vez, aunque con ello hay que volver a calibrar el movimiento de ese eje de la impresora.
Ilustración 68 Varilla engrasada
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5.2 Mantenimiento del sistema de extrusión
Extrusor: si por alguna razón el hotend se atasca y no deposita material correctamente y el extrusor sigue funcionando, el eje de arrastre del filamento se llenará de PLA en polvo y será incapaz de seguir funcionando. Para solucionar el problema será necesario desmontar el engranaje grande para sacar el eje de arrastre y limpiarlo manualmente con una herramienta con punta. Posteriormente se volverá a montar. Hotend: Esta pieza se puede estropear por distintos motivos y hay dos maneras de corregirla: Si se atasca porque el filamento se cristalice en su interior se tendrá que desmontar y calentarlo (un secador de alta potencia sería suficiente) hasta licuar los residuos interiores. Si se golpea con la superficie de impresión, con suficiente fuerza, se puede llegar a deformar la boquilla. La solución pasaría por cambiarla.
Ilustración 69 Boquilla extrusor
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5.3 Mantenimiento de la superficie de impresión La superficie de impresión se ensucia después de cada impresión, no es necesario limpiarla cada vez, pero tras unas 4 o 5 impresiones se puede quitar el cristal y limpiarla con alcohol y un trapo. Además, es importante prepararla previamente con laca para facilitar la adherencia de la primera capa.
Ilustración 70 Base de impresión
5.4 Filamento El PLA es un material muy frágil que con cambios bruscos de temperatura y la curvatura que presenta en el rollo se puede romper solo cuando la impresora esta sin funcionar mucho tiempo. Simplemente siendo constante con el uso de la impresora y gracias a la forma de suministrar el material de impresión al extrusor en esta impresora, no deberían generarse problemas en este aspecto. En caso de producirse esta cristalización del material la solución sería cambiar la bobina.
Figura 32 Bobinas de PLA
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6 Estudio económico En este apartado se estimará de la forma más aproximada posible, el coste de impresión por hora de esta impresora.
6.1 Costes Primeramente, se ha de tener en cuenta el coste de la impresora en este caso, como aparece en la imagen, 495€
Figura 33 Catalogo de venta de impresoras
Sin embargo, se también hay que considerar la continua inversión realizada durante el montaje de la misma lo que eleva el presupuesto 30€ por la adquisición de la nueva RAMPS, otros 30€ por la adquisición de un nuevo arduino, y finalmente la sustitución de la LCD y de nuevo la RAMPS que añaden 118€ al coste total.
Figura 34 Correo del proveedor
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6.2 Estimaciones Así queda definido el coste de la impresora en alrededor de 700€ (estimándolo al alza). Por otro lado, la vida media de este tipo de dispositivos es unos 4 años. Asumimos también que trabajará 12 horas al día durante unos 220 días al año lo que hace un total de 2640 horas. También se puede asumir que el coste de mantenimiento será de unos 30€ al año. Además, se debe tener en cuenta el coste del material de deposición que son 20€ por cada 800 centímetros cúbicos. Por último, se ha de saber la tasa de deposición de material que tiene la impresora por hora. Esta tasa dependerá de la precisión de la pieza, así como de su superficie exterior. De media podemos considerar una tasa de 13 centímetros cúbicos por hora.
6.3 Datos Con todos estos datos se pueden calcular los siguientes:
6.3.1 Generales Coste del material en euros por centímetro cubico 0.03€/cc. Tiempo en extruir un centímetro cubico 276 s. Tiempo de trabajo medio al día: 7.23 horas.
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6.3.2 Anuales Coste de la impresora al año: 175€. Coste de la impresora al año (incluido mantenimiento): 205€. Gasto de material anual: 34320 cc. Coste de material al año: 858€. Coste anual total: 1063€.
6.3.3 A la hora Coste de la impresora a la hora: 0.0662€. Coste de la impresora a la hora (incluido mantenimiento): 0.0776€. Gasto de material a la hora: 13cc. Coste de material a la hora: 0.325€. Coste a la hora total: 0.4026€ .
Conocidos todos estos datos y con el tiempo de pieza se puede calcular el coste de fabricación de cualquier pieza (sin incluir el diseño de la misma).
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7 Conclusiones Las tecnologías de fabricación aditivas, en concreto la aquí desarrollada, deposición de hilo fundido, están en pleno auge. Sin embargo, a nivel doméstico todavía está lejos de poder ser empleada con cotidianidad. El montaje y calibración de la impresora, en mi opinión, es factible para un usuario medio. Por otro lado, el manejo requiere ciertos conocimientos de informática, además, si se tiene que realizar el diseño de la pieza, esta tarea no puede ser realizada sin un nivel medio de diseño en 3D. Fuera de estas limitaciones la tecnología resulta extremadamente útil ya que permite realizar series de muy pocas piezas con alta precisión y bajo coste en comparación a tecnologías tradicionales que requieren series de piezas mucho más grandes para tener una rentabilidad similar. En este proyecto se ha expuesto lo necesario para instalar una impresora de las características anteriormente citadas, haciendo hincapié en las incidencias propias de este proceso.
Ilustración 71 Impresora terminada
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Cabe destacar que la impresora genera piezas de baja precisión en comparación con otras similares. Ocupa la parte del sector más asequible. Las piezas fabricadas deben tener una función decorativa ya que no son suficientemente resistentes para realizar una función estructural con garantías. Esta tecnología se aplica en muy diferentes campos, actualmente principalmente a nivel industrial. En campos como la biomedicina resulta especialmente útil por el hecho de que cada cuerpo humano es diferente y este método de fabricación permite realizar una única pieza para cada paciente y a un coste que, en comparación a las prótesis genéricas actuales resulta ridículo. En definitiva, esta es una tecnología que avanza de forma contundente, año tras año. Esto ha permitido que actualmente se esté planteando que pueda ser una tecnología cotidiana. Si esto fuera así, gran cantidad de aparatos cuyo coste de reparación supera al del propio objeto, dejarán de volver a comprarse debido a que será posible diseñar una pieza que permita repararlos a un coste muy inferior. El futuro confirmará la adaptación de este tipo de tecnología a nuestro día a día.
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Bibliografía Manual de montaje http://www.kitprinter3d.com/es/blog/manual-p3steel-c10
Información http://computacion82morelia.blogspot.com.es/2013/03/sistemas-y-tecnicas-defabricacion.html http://www.tendencias21.net/La-Fabricacion-Aditiva-conduce-a-una-nueva-revolucionindustrial_a8558.html https://impresoras3d.com/blogs/noticias/102825479-breve-historia-de-la-impresion-3d [1] http://www.aeipro.com/files/congresos/2012valencia/CIIP12_2088_2098.3870.pdf http://www.eic.cat/gfe/docs/10585.pdf http://www.arcam.com http://es.rs-online.com/web/ http://eshop.3dexpert.gr/image/data/hellobeeprusausermanual_v20160126.pdf
Figuras https://www.google.es/search?q=procesos+de+fabricacion&espv=2&biw=1034&bih=707&sou rce=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwiOxrWGo_fMAhVFuhQKHWuDC14Q_AUIBigB&dpr= 1#imgrc=Cw7NVtX5BFsW-M%3A http://img.interempresas.net/fotos/840979.jpeg http://eshop.3dexpert.gr/image/data/hellobeeprusausermanual_v20160126.pdf https://www.google.es/search?q=pronterface+temperature+graph&espv=2&biw=1745&bih=8 61&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwjq88PSx9nOAhXLtBQKHcnECmgQ_AUIBigB#i mgrc=eg-qT2AG1ARlQM%3A https://www.google.es/search?q=relleno+impresora+3D+panal+de+abeja&espv=2&biw=1034 &bih=619&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwjDwIbuiTOAhXEaRQKHZ_WDV0Q_AUIBigB#imgrc=7quUgaVSXxGBaM%3A
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