Prototipo de Impresora 3D reutilizando desechoelectrónico (e-waste) en su construcción, y usode botellas PET como material de impresión
Paulo Roberto Loma [email protected]
Abstract
Implementación de un prototipo básico deImpresora 3D con la técnica FDM aplicandobotellas plásticas PET desechables reempla-zando el tradicional PLA/ABS como material deimpresión, adaptación de desecho electrónico(e-waste) para la construcción del extrusor y laestructura. Implementación de diseño propio deelectrónica y Firmware-Software para el controlde temperatura PID por Efecto Joule, controlde motores paso a paso (mPaP), operación ymonitoreo general, algoritmos descriptor Gcodey posicionamiento 3D.
Keywords – Impresora 3D, FDM, Manufac-tura por Adicción, Matlab, Visual Studio,C/C#, extrusor, DIY, Efecto Joule, Termo-cupla, Control PID discreto, Sketchup CAD,e-waste, adaptación, PET, reciclado, descriptorGcode, RTOS, PIC18F4550, PICCS, USB modobulk.
I. Introducción
Durante el proceso de construcción de una impresora3D existen dos problemas que fueron identificados; la im-portación de componentes electrónicos (controladores) yelectromecánicos (extrusor) específicos para impresoras3D, y la dependencia en la importación del material deimpresión plástico tipo PLA/ABS.
Por tanto, el objetivo fue la implementación de un pro-totipo básico alternativo de Impresora 3D reutilizando yadaptando desecho electrónico (e-waste) en el proceso deconstrucción, además del empleo de botellas PET desecha-bles como material de impresión, aplicando la técnica FDM(Modelación por Deposición Fundida).
II. Desarrollo del prototipo
La figura 1 describe en diagrama de bloques el esquemageneral de funcionamiento para su respectiva implemen-tación.
A. Construcción mecánica del extrusor y estructuracompleta.
Se dispuso la adaptación de e-waste y componentes defácil adquisición en tiendas locales, para ninguna etapase recurrió a la importación de componentes exclusivospara Impresoras 3D.
La construcción empezó con la elección de los compo-nentes y herramientas electromecánicas, luego se reali-zó el modelo CAD del extrusor utilizando la herramientaSketchup, figuras 2 y 3.
B. Alimentación del material
El tipo de alimentación del material plástico PET pica-do es manual, luego es transportado por inyección haciael Licuefactor, figura 4.
También puede usarse rollo de plástico PET obtenidodirectamente de la botella gracias a un procedimientomanual de corte, figura 5.
C. Calentamiento por Efecto Joule
Se realiza la construcción del Licuefactor con un nozzle(boquilla) de bronce para hornillas a gas y una resistenciaeléctrica tipo niquelina, todo debe ser aislado de formaeléctrica y calorífica, figura 6.
D. Extrusión
Se aplica la técnica por Inyección donde la barra ros-cada esta acoplada al extrusor, figura 2; que transfiereel movimiento rotacional del motor mPaP en movimientovertical lineal.
E. Robot cartesiano y posicionamiento 3D
La estructura completa del prototipo respeta la con-figuración del robot cartesiano, para cada eje existe unmPaP unipolar o bipolar. En los 3 casos, el eje y/o caja deengranajes del motor tiene acoplado una polea dentadaque transfiere el movimiento rotacional en movimientolineal, las barras lisas permiten que el movimiento lineal
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Figura 1: Esquema general de funcionamiento del prototipo.
Figura 2: Modelo CAD del extrusor.
uniforme reduzca su fricción, y las abrazaderas conec-tan eje con eje para completar la configuración de robotcartesiano, figura 8.
F. Diseño electrónico
El diseño electrónico completo (Schematic), layout dela placa PCB y modelo CAD, se realizó en Proteus 8.0.
1) MCU PIC18F4550 y comunicación USB
La ejecución del Firmware está a cargo del MCUPIC18F4550, cuya característica principal es el móduloUSB 2.0 integrado, además de su fácil adquisición y ba-jo costo. El tipo de transferencia USB que se aplica esBulk mode con tipo de clase CC(Custom Class), figura9.
Figura 3: Extrusor construido y ensamblado.
Figura 4: Alimentación del material plástico PET.
2) Esquema electrónico de los cuatro motores mPaPX, Y, Z y E
Se usan cuatro mPaP e-waste de diferentes caracterís-ticas y dimensiones, un bipolar para el eje X; dos unipo-lares para el eje Y, Z y un unipolar para el extrusor E.El controlador es de medio paso para todos los motores,
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Figura 5: Rollo de plástico PET.
Figura 6: Licuefactor eléctrica-caloríficamente aislado.
Figura 7: Construcción del pistón.
Figura 8: Disposición mecánica de posicionamiento 3D.
y está a cargo de IC L297+IC L298, para el motor bi-polar; y IC L297+array Darlington , para los motoresunipolares; figura 10.
3) Efecto Joule por PWM y Mosfet
Para el calentamiento por Efecto Joule en el Li-cuefactor, se aplica control PID por PWM desde el MCU18F4550, cuyo actuador es un Mosfet de potenciaIRL3803, conectado en paralelo con una fuente de vol-
control
termocupla RA0/AN02RA1/AN13RA2/AN2/VREF-/CVREF4RA3/AN3/VREF+5RA4/T0CKI/C1OUT/RCV6RA5/AN4/SS/LVDIN/C2OUT7RA6/OSC2/CLKO14OSC1/CLKI13
RB0/AN12/INT0/FLT0/SDI/SDA33RB1/AN10/INT1/SCK/SCL34RB2/AN8/INT2/VMO35RB3/AN9/CCP2/VPO36RB4/AN11/KBI0/CSSPP37RB5/KBI1/PGM38RB6/KBI2/PGC39RB7/KBI3/PGD40
RC0/T1OSO/T1CKI 15RC1/T1OSI/CCP2/UOE 16
RC2/CCP1/P1A 17
VUSB18
RC4/D-/VM 23RC5/D+/VP 24RC6/TX/CK 25
RC7/RX/DT/SDO 26
RD0/SPP0 19RD1/SPP1 20RD2/SPP2 21RD3/SPP3 22RD4/SPP4 27
RD5/SPP5/P1B 28RD6/SPP6/P1C 29RD7/SPP7/P1D 30
RE0/AN5/CK1SPP 8RE1/AN6/CK2SPP 9RE2/AN7/OESPP 10
RE3/MCLR/VPP 1
UPIC
PIC18F4550VDD=+5V_PICVSS=GND_PIC
XPICCRYSTAL
CPIC3
15pFCPIC4
15pF
GND_
PIC
14
13
1413
VCC1D+3D-2GND4
USB
USBCONN
D+D-
GND_PIC
GND_
PIC
CPIC5
220nF
MRCL
bootloader D+D-
PIC
dirXdirYdirZdirEclockXclockYclockZclockE
+5V_PIC
GND_PIC
PULSOS
GLALGLC
RPIC1220R
RPIC2220R
GND_
PIC
LED_USB
GND_
PIC
PIN_USB_SENSE
RB2RPIC8100k
RB2
CPIC1100nF
GND_PIC
+5V_PIC
DPIC1
1N4007
MRCL
CPIC2100nF
GND_PIC
+5V_PIC
DPIC2
1N4007
bootloaderRPIC41k
RB7
RB6
RB7RB6
RPIC7220R
RPIC6100k
1 2
JPICSIL-100-02
RPIC310k RPIC5
10k
1/32/4
RESET
12
BOOT
Figura 9: Esquemático electrónico MCU PIC18F4550.
taje de +19, 5[V ] y 4[A] actuando sobre la niquelina de6[Ω], otorgando una potencia de 63[watts], figura 11.
4) Acondicionamiento de señal de Termocupla K
Para lograr el acondicionamiento y su compensaciónanalógica correctamente, se debe plantear el problemasegún la tabla 1, seguido del análisis y obtención de va-lores mediante la figura 12 y desarrollo matemático (1)
Temperatura Voltaje Sensibilidad
Termocupla K 0 − 300[°C] 0 − 5[V ] Sk = 40, 5[uV
°C
]
LM35 0 − 150[°C] 0 − 5[V ] α = 10, 0[mV
°C
]
Tabla 1: Condiciones de implementación.
S = Vmax − Vmin
Tmax − Tmin
S1 = 33, 3[mV
°C
]; S2 = 16, 7
[mV
°C
](1)
bloque de ganancias,
G1 = S1α
= 3, 33; G2 = S1α
= 412 (2)
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IN15IN27
ENA6
OUT1 2
OUT2 3
ENB11 OUT3 13
OUT4 14
IN310IN412
SENSA1SENSB15 GND
8
VS
4
VCC
9 UX2
L298RX30.5R
RX20.5R
GND_MX2GND_MX1
GND_MX1
DX1DIODE
DX2DIODE
DX3DIODE
DX4DIODE
DX5DIODE
DX6DIODE
DX7DIODE
DX8DIODE
RX122k
+5V_MX1CX13.3nF
CX2100nF
GND_MX1
+5V_MX2 CX3100nF
GND_MX2
+5V_MX1
HALF/FULL19CW/CCW17CLOCK18
HOME3
RESET20 A 4B 6C 7D 9
INH1 5INH2 8
ENABLE10
SYNC 1
CONTROL11
OSC16 VREF15
SENS1 14SENS2 13
VCC
12
GND
2
UY1
L297
RY122k
+5V_MY1CY13.3nF
GND_MY1
AYBYCYDY
Motores
dirXclockX
+5V_MX1
GND_
MX1
dirYclockY
+5V_MY1
GND_
MY1
HALF/FULL19CW/CCW17CLOCK18
HOME3
RESET20 A 4B 6C 7D 9
INH1 5INH2 8
ENABLE10
SYNC 1
CONTROL11
OSC16 VREF15
SENS1 14SENS2 13
VCC
12
GND
2
UX1
L297
123456
JY2
SIL-100-06
1234
JX2
SIL-100-04
1 2 3 4
JX1SIL-100-04
+5V_MX1 +5V_MX2
GND_MX11 2 3 4
JY1SIL-100-04
RX41k
52% 132
RX5
10k
+5V_MY1RY41k
50% 13
2
RY5
10k
QY1TIP122
QY2TIP122
QY3TIP122
QY4TIP122
RY61k
RY71k
RY81k
RY91k
+5V_MY2
DY1DIODE-ZEN
DY2DIODE-ZEN
DY3DIODE-ZEN
DY4DIODE-ZEN
GND_MY1
AY
BY
CY
DY
GND_
MY2
CY2
100nF
GND_
MY2
HALF/FULL19CW/CCW17CLOCK18
HOME3
RESET20 A 4B 6C 7D 9
INH1 5INH2 8
ENABLE10
SYNC 1
CONTROL11
OSC16 VREF15
SENS1 14SENS2 13
VCC
12
GND
2
UZ1
L297
RZ122k
+5V_MZ1CZ13.3nF
GND_MZ1
AZBZCZDZdirZ
clockZ
+5V_MZ1
GND_
MZ1
123456
JZ2
SIL-100-06
1 2 3 4
JZ1SIL-100-04
+5V_MZ1
RZ41k
35% 13
2
RZ5
10K
QZ1TIP122
QZ2TIP122
QZ3TIP122
QZ4TIP122
RZ61k
RZ71k
RZ81k
RZ91k
+5V_MZ2
DZ1DIODE-ZEN
DZ2DIODE-ZEN
DZ3DIODE-ZEN
DZ4DIODE-ZEN
RZ30.5R
RZ20.5R
GND_MZ1
1
23
UZ2:A
74HC08 GND=GND_MZ1VCC=+5V_MZ1
4
56
UZ2:B
74HC08 GND=GND_MZ1VCC=+5V_MZ1
AZ
INH1Z
BZ
9
108
UZ2:C
74HC08 GND=GND_MZ1VCC=+5V_MZ1
12
1311
UZ2:D
74HC08 GND=GND_MZ1VCC=+5V_MZ1
CZ
INH2Z
DZ
SENS1ZSENS2Z
SENS1Z
SENS2Z
GND_
MZ2
INH1ZINH2Z
CZ2
100nF
GND_
MZ2
HALF/FULL19CW/CCW17CLOCK18
HOME3
RESET20 A 4B 6C 7D 9
INH1 5INH2 8
ENABLE10
SYNC 1
CONTROL11
OSC16 VREF15
SENS1 14SENS2 13
VCC
12
GND
2
UE1
L297
RE122k
+5V_MECE13.3nF
GND_ME1
AEBECEDEdirE
clockE
+5V_ME
GND_
ME1
123456
JE2
SIL-100-06
1 2 3 4
JE1SIL-100-04
+5V_ME
RE41k
47% 13
2
RE5
10k
QE1TIP122
QE2TIP122
QE3TIP122
QE4TIP122
RE61k
RE71k
RE81k
RE91k
+12V_ME
DE1DIODE-ZEN
DE2DIODE-ZEN
DE3DIODE-ZEN
DE4DIODE-ZEN
RE30.5R
RE20.5R
GND_ME1
1
23
UE2:A
74HC08 GND=GND_ME1VCC=+5V_ME
4
56
UE2:B
74HC08 GND=GND_ME1VCC=+5V_ME
AE
INH1E
BE
9
108
UE2:C
74HC08 GND=GND_ME1VCC=+5V_ME
12
1311
UE2:D
74HC08 GND=GND_ME1VCC=+5V_ME
CE
INH2E
DE
SENS1ESENS2E
SENS1E
SENS2E
GND_
ME2
INH1EINH2E
CE2
100nF
GND_
ME2
GND_MY2
CX4470uF
GND_MX2
GND_MX1
+5V_MY1 +5V_MY2
GND_MY1 GND_MY2
+5V_MZ1 +5V_MZ2
GND_MZ1 GND_MZ2
+5V_ME +12V_ME
GND_ME1 GND_ME2
Figura 10: Esquemático completo de control mPaP.
obteniendo valores de Resistencia para el AmplificadorDiferencial(OP07) = UT2 de Ganancia G1
vo = R2R1
(v2 − 0) ; G1 = vo
v2= R2R1
= 3, 33
R2 = 330[Ω]; R1 = 100[Ω] (3)
reemplazando en el diseño de la figura 13
RT2 = RT4 = 330[Ω]; RT1 = RT3 = 100[Ω] (4)
calculando los valores de Resistencia para el Amplifi-cador Diferencial de Instrumentación(AD620) =UT3 de Ganancia G2, según la ecuación siguiente, y re-emplazando en el diseño de la figura 13
RG = 49, 4[kΩ]G2 − 1 = 120[Ω]; RGT = 120[Ω]
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GND_+19V QEXIRL3803
REX2100k
controlREX110R
Mosfet
12
JEX2
TBLOCK-I2
1 2
JEX1SIL-100-02
+19.5V OFF ON 24
13
DSW1
DIPSW_1
GND_EXT
Figura 11: Actuador, Mosfet de potencia.
Figura 12: Acondicionamiento de Termocupla.
Para completar el último paso, se debe aplicar la Leyde Circuitos Homogéneos y Metales Intermediossegún,
VTc,0 = VTc,Tf+ VTf ,0 (5)
y calculando los valores de Resistenca para el sumandorUT4,
vo =(
1 + R2R1
) v1R1
+ v2R2
1R1
+ 1R2
si, R1 = R2 = 10[kΩ] entonces,
vo = v1 + v2; vUT 4 = vUT 2 + vUT 3 (6)
5) Modelo CAD y grabado PCB
Finalmente, se construye el PCB respetando el área má-xima de soporte; una fuente de poder para PC, y reuti-lizando la mayor cantidad de componentes electrónicose-waste de placas dañadas, figura 14.
III. Desarrollo de Firmware
Programación Imperativa y Estructurada, la razónse debe a la aplicación del Lenguaje de ProgramaciónC sobre software compilador PICWHD con su respectivobootloader, además de la técnica Multitarea a través deun RTOS open-source; (OSA-RTOS) para PIC18F4550.
A. Estructura general
El algoritmo 1 describe en pseudo-código la estructurabase. En config hay 4 grupos grandes delimitados, MCUy Comunicación USB que están implícitamente relacio-nados; en cambio, RTOS depende del correcto funciona-miento de su propio grupo de instrucciones y la corres-pondiente compatibilidad con el MCU.
Hay que resaltar la omisión del clásico while loop enmain; se prescinde de él porque un RTOS gestiona mejorlas tareas de operación, control y comunicación.
Algoritmo 1: Estructura general.Input: Puertos I/OOutput: Actuadoresconfig
MCU;RTOS;Comunicación USB;Control;
defvariables;funciones;tareas RTOS;
maincall funciones;call tareas RTOS;
B. Función genérica: Inicio
Es la primera función genérica a llamar que inicializalas variables y módulos del MCU, algoritmo 2.
C. Tarea RTOS: Comunicación USB/descriptor Bulk-mode
La figura 15 muestra en diagrama de bloques los Bytesde Envió/Recepción de paquetes USB que implementa através del algoritmo 3.
D. Tarea RTOS: Control PID discreto de temperatura
Para implementar Control PID se debe obtener el mo-delo de la Planta(Licuefactor) Gp(s), se analiza los reque-rimientos de diseño, simulación en Matlab y finalmente,según el algoritmo 4 se implementa el controlador PID.
1) Análisis
El Software GUI cumple la función de obtener la res-puesta al escalón del Licuefactor Gp(s), registrando enun documento.txt los valores de sensor de Temperatu-ra Termocupla K cada Periodo de Tiempo de muestreo
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3
26
47
8 51
UT3
AD620
RGT120
GND_TCK
+5V_PIC
GND_TCK+12V
-12V
+12V
-12V
RT2330
RT1100
GND_
TCK
CT2
10nF
CT3
10nF
GND_
TCK
GND_
TCK
+12V
-12V
RT61k
RT51k
GND_
TCK
CT4
10nF
CT5
10nF
GND_
TCK
GND_
TCK
termocuplaRT71k
RT81k
CT1
100nFGND_
TCK
3
26
74 8
1
UT2
OP07
3
26
74 8
1
UT4
OP07
RT3100
RT4330
GND_
TCK
Termocupla
TCKrojo
TCKazul
1 2 3 4
JTCK1SIL-100-04
-12V +12V
GND_TCK
TCKrojo
TCKazul
12
JTCK2
TBLOCK-I2
12
JTCK3
TBLOCK-I2
27.0
3
1
VOUT 2
U1
LM35
GND_EXT
3
26
74
1 5
UT5
TL081
RT915k
+12V
-12V
CT610uF
GND_TCK
filtro pasa bajo 1Hz
Figura 13: Sensor de Temperatura Termocupla K.
Figura 14: Implementación electrónica completa.
Algoritmo 2: Función genérica: Inicio.Function Inicio()
ini valores mPaPnúmero de Pulsos XYZE = 0;periodo de Pulsos XYZE = 0;
ini constantes PIDi1 = e1 = d1 = 0;Kd = 4, 372 Kp = 4, 387 Ki = 0, 01457;Tiempo de muestreo: T = 10[s];
Kpz = Kp Kiz = KiT
2 Kdz = Kd
T;
config CCPFrecuencia_PWM = 3kHz;
config ADCCanal 0 = AN0;
config Timer0 para OsaRTOSFrecuencia = 1kHz para clock 48MHz;
config USBHabilitar módulo USB;Enumeración USB;
Algoritmo 3: Tarea RTOS: Comunicación USB.Function tarea USB()
if Recibir Byte >0 thennúmero de Pulsos XYZE = Recibir Byte[0:7];periodo de Pulsos XYZE = RecibirByte[8:13];DirMotor XYZE = Recibir Byte[14:17];dato Gla−Glc = Recibir Byte[18];referencia r(kT ) PWM = Recibir Byte[19];
if EnviarByte >0 thendato ADC[0-255] = Recibir Byte[0];dato ADC[256-1023] = Recibir Byte[1];estado mPaP XYZE = Recibir Byte[2];
delay = 100 [ms];
Tm[ms], la figura 15 muestra el procesamiento de los da-tos r(t), y(t) y actuador por PWM.
Aplicando una señal escalón a Gp a lazo abierto Gla
se obtiene la figura 16.Que exporta un documento.txt con Tm = 1000[ms]
para ser importado con la herramienta Ident Matlab, yproceder a la identificación del modelo SISO.
Finalmente genera la Función de Transferencia,
Gp(s) = 1, 49581 + 429, 15 s (7)
2) Diseño
Gracias a otra herramienta de diseño de controlador;Sisotool Matlab, se genera los parámetros y Función deTransferencia del Controlador Gc(s), figura 18
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Figura 15: Envío/Recepción de paquetes USB, y procesamiento del PWM para control PID.
Figura 16: Respuesta Gp al escalón, muestreado con elGUI.
Figura 17: Identificación del modelo con Ident Matlab.
Que resulta en:
Gc(s) = 0, 014574 (1 + s)(1 + 300 s)s
(8)
Kd = 4, 372 Kp = 4, 387 Ki = 0, 01457Mp = 2, 75 % tr = 127[s] ts = 507
3) Simulación
Se discretiza Gp, Gc y Glc según el código Matlab 1,para obtener la figura 19.
1 s=tf(’s’);2 Gp =1.4958/(1+429.15* s);3 Kd =4.372; Kp =4.387; Ki =0.01457;4 Gc=tf ([ Kd Kp Ki ] ,[1 0]); % Gc =0.014574*(1+ s)
*(1+300* s)/s
Figura 18: Controlador Gc(s) con Sisotool.
5 T=10; % tr /6 < T < tr /206 Kpz=Kp; Kiz=Ki*T/2; Kdz=Kd/T;7 Gpz=c2d(Gp ,T,’zoh ’);8 Gcz=tf ([( Kpz+Kiz+Kdz) (-Kpz+Kiz -2* Kdz) Kdz
] ,[1 -1 0],T);9 Glaz=Gpz*Gcz; Gla=Gp*Gc;
10 Glcz= feedback (Glaz ,1); Glc= feedback (Gla ,1);11 step(Gpz ,Glcz ,Glc)12 pause13 margin (Glcz)14 pause15 bode(Glcz ,Glc) Código 1: Sistema a lazo abierto Gla y lazo cerradoGlc.
4) Implementación
Para implementar el algoritmo PID 4, el MCUdebe ejecutarlo en periodos de Tiempo DiscretoT = 1000[ms]) donde el resultado se muestra en la figura20.
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Figura 19: Simulación Matlab.
Figura 20: Respuesta al escalón del sistema a lazo cerradoGlc.
IV. Desarrollo de Software
El Software se realiza aplicando POO a través de VisualStudio C# con diseño de interfaz WFA, la figura 21 mues-tra GUI completo con 5 secciones definidas:
• Referencia r(t) por PWM: rango de 0 − 5[V ] =0 − 300[°C].
• Salida y(t): elección Gla − Glc, Iniciar/PararMuestreo, tiempo tm[ms]; rango de salida por vol-taje 0 − 5[V ], temperatura 0 − 300[°C] y 0 −1023[dec].
• Control Manual mPaP XYZE con 2 subgru-pos: número de Pulsos(distancia), periodo de Pul-sos(velocidad).
• Gcode: cargar, instrucción por vez step, reset, ti-mer, enviar una instrucción.
• Monitoreo: referencia r(t) vs salida y(t), a travésde un chart o plotter.
Algoritmo 4: Control PID discreto.Input: Periodo T [ms], constantes Kpz,Kiz,Kdz,
referencia r(kT ) y salida y(kT )Output: Controlador u(kT )def
e(kT ) = e e(kT − T ) = e1;r(kT ) = r y(kT ) = y;p(kT ) = p;i(kT ) = i i(kT − T ) = i1;d(kT ) = d;u(kT ) = u;
Function control Glc_PIDe = r − y ; /* leer error actual */p = Kpz · e;i = i1 +Kiz · (e+ e1);d = Kdz · (e− e1);/* suma pid */u = p+ i+ d;/* enviar dato de control ”u” al
actuador */actuador(u);/* error actual se guarda en error
anterior y valor integral actual envalor integral anterior */
e1 = e;i1 = i;/* Periodo de muestreo */delay = T[ms];
Figura 21: Operación general a través del GUI.
A. Descriptor Gcode
El Descriptor Gcode tiene la función de obtener losdatos de posición XYZE y velocidad F(Feedrate) delos mPaP, procesar dichos valores para enviar solamente
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número de Pulsos XYZE y Periodo XZYE al Firmwarepara su ejecución.
El código ejemplo 2, indica el desarrollo de un rectán-gulo 2D sin el eje Z, donde el extrusor E deposita el ma-terial de acuerdo a las distancias XY[mm], G1 indica quela instrucción es de Movimiento Lineal Controlado, velo-cidad(Feedrate) F 1200
[mmmin
]. Cada linea de instrucción
refiere al toolpath necesario para completar el rectángulo2D, figura 22.
G1 X 0.000 Y 0.000G1 X 10.000 E 10.000 F 1200.000G1 Y 5.000 E 5.000 F 1200.000G1 X 10.000 E 10.000 F 1200.000G1 Y 5.000 E 5.000 F 1200.000
Código 2: Ejemplo Gcode, rectángulo 2D de 10x5 mm.
Figura 22: Toolpath del código 2.
Por tanto, el procedimiento de desarrollo del algoritmodescriptor consiste en:
• Guardar en buffer de memoria elDocumento.gcode que contiene todas las ins-trucciones Gcode.
• Buscar la instrucción de Movimiento Lineal Con-trolado.
• Procesar el campo numérico para guardar en va-riables temporales XYZEF.
• Realizar el escalamiento de distancias XYZE, deacuerdo a la tabla 2.
1[mm] 10[mm
s
]≈ 20[ms]
X 3, 03[pulsos]Y 10[pulsos]Z 50[pulsos]E 70[pulsos]
F 2 · 2−F · 2
60 · 20 · 20[ms]
Tabla 2: Condiciones de relación (pulsos vs mm).
• Realizar el promedio de las distancias y periodosXYE para calcular la ecuación de relación; tomandocomo referencia al periodo del motor E, tabla 3.
• Sin embargo, no es necesario calcular la relaciónagregando el eje Z porque su movimiento solo seejecuta cuando termina un capa.
X Y E[mm] dX1 · 3, 03 = dX2 dY 1 · 10 = dY 2 dE1 · 70 = dE2[ms] TX1 · 3, 03 · 7 = TX2 TY 1 · 7 = TY 2 TE = Tref
Tabla 3: Condiciones de relación (mm vs periodo).
• Relación XYE
dX2 · TX2 = dY 2 · TY 2 = dE2 · TE (9)
TY 2 = dE2DY 2
· TE (10)
TX2 = dE2DX2
· TE (11)
V. Resultados
Procedimiento de impresión:• Implementado el siguiente modelo CAD, figura 23;
y exportando el formato .stl– Interior: 7[mm]x12[mm]– Exterior: 15[mm]x20[mm]– Altura: 5[mm]
• Obteniendo el Documento.gcode con Slic3r y vi-sualizando con Repetier-Host, figura 24.
• Importando el Documento.gcode con el botónCargar Gcode e imprimiendo la pieza con el botónStep; usando el GUI del Proyecto, figura 21.
• Pieza final resultante, figura 25.– Interior: 7[mm]x13[mm]– Exterior: 116[mm]x21[mm]– Altura: 5[mm]
Figura 23: Modelo CAD de la pieza.
VI. Conclusiones
• El extrusor electromecánico y todo el diseño elec-trónico fue implementado con e-waste y compo-nentes adquiridos en tiendas locales, sección II.
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Figura 24: Generación y visualización Gcode.
Figura 25: Pieza final impresa.
• La subsección B. demuestra la aplicación de mate-rial de impresión plástico PET de botellas desecha-bles, alimentado al Licuefactor manualmente.
• El diseño del sistema electrónico y su implementa-ción satisface todos los requerimientos de funcio-namiento: control, comunicación y operación delprototipo, subsección F.
• El procedimiento de control PID se aplicó a travésde las herramientas Ident y Sisotool de Matlab,la adquisición de datos de la planta Gp fue pormedio del propio GUI del proyecto, y la implemen-tación a través del MCU PIC18F4550, sección III.
• El desarrollo de Firmware sincroniza los mPaP parael correcto posicionamiento 3D, envía/recibe datosdel sensor de temperatura por medio del protocoloUSB para el correcto control PID, sección III.
• El desarrollo de Software aplicando POO, interac-túa completamente con el Firmware para la eje-cución de las instrucciones Gcode en el proceso deimpresión 3D, sección IV.
• La baja resolución de las piezas impresas se debe ala limitación del Medio Paso en los mPaP; por tan-to, se recomienda el cambio de diseño electrónicoque implemente Micro Paso, que resultará en unaImpresión 3D de calidad media/alta.
• La alimentación del material de impresión es ma-nual y la cantidad de plástico procesado dependedel volumen del Licuefactor, se recomienda un di-
seño nuevo de extrusor que contemple la alimen-tación continua.
Referencias
[1] Alex B. OSA-RTOS. 2009. url: http : / / www .pic24.ru/doku.php/en/osa/ref/intro.
[2] Christian Baechler, Matthew DeVuono y JoshuaPearce. “Distributed recycling of waste polymer in-to RepRap feedstock”. English. En: Rapid Prototy-ping Journal (2013), págs. 118-125. doi: dx.doi.org/10.1108/13552541311302978. url: http:/ / www . emeraldinsight . com / journals . htm ?issn=1355-2546&volume=19&issue=2&articleid=17082798&articletitle=Distributed % 2Brecycling % 2Bof % 2Bwaste %2Bpolymer%2Binto%2BRepRap%2Bfeedstock.
[3] David Bourell, Ming Leu y David Rosen. “Road-map for Additive Manufacturing Identifying theFuture of Freeform Processing”. En: 2009. url:http://wohlersassociates.com/roadmap2009.pdf.
[4] Adrian Bowyer. Granule Extruder. url: http://reprap.org/wiki/GranuleExtruder.
[5] G.B. Braanker y col. Developing a plastics recy-cling add-on for the RepRap 3D-printer. Delft Uni-versity of Techonology, 2010. 46 págs. url: http://reprapdelft.files.wordpress.com/2010/04/reprap-granule-extruder-tudelft1.pdf.
[6] Enrique Canessa, Carlo Fonda y Marco Zennaro.“Perpetual Plastic Project”. En: Low-cost 3D Prin-ting for Science, Education and Sustainable De-velopment (mayo de 2013), págs. 191-197. url:http://sdu.ictp.it/3d/book/Low-cost_3D_printing_screen.pdf.
[7] Eduardo Carletti. Motores paso a paso Caracte-rísticas básicas. 2014. url: http : / / robots -argentina.com.ar/MotorPP_basico.htm.
[8] Miguel A. Pérez García y col. Instrumenta-ción Electrónica. S.A. Ediciones Paraninfo, 2003.862 págs. isbn: 9788497321662. url: http://m.casadellibro . com / libro - instrumentacion -electronica - incluye - cd / 9788497321662 /936109.
[9] Jo Geraedts y col. “Three view on Additive Ma-nufacturing: Business, Research and Education”.En: TMC2012. Ed. por I. Horváth y col. Or-ganizing Committee of TMCE 2012. Mayo de2012. url: http : / / www . researchgate . net /publication / 235725722 _ Three _ Views _ on _Additive_Manufacturing_Business_Research_and_Education.
Journal - IEA 2014, Facultad de Ingeniería - UMSA
91
[10] Ian Gibson, David Rosen y Brent Stucker. Additi-ve Manufacturing Technologies. Springer US, 2010.doi: 10.1007/978-1-4419-1120-9. url: http://link.springer.com/book/10.1007/978-1-4419-1120-9.
[11] Harold Giles, John Wagner y Eldridge Mount. Ex-trusion: the definitive processing guide and hand-book. English. 2nd. William Andrew, sep. de 2014.640 págs. isbn: 9781437734829. url: http : / /store . elsevier . com / product . jsp ? isbn =9781437734812&_requestid=596110.
[12] Sherry Huss. Ultimate Guide to 3D Printing. Inf.téc. Makezine.com, 2013. url: http : / / www .makershed . com / products / make - ultimate -guide-to-3d-printing-2014.
[13] Pierre Lafleur y Bruno Vergnes. Polymer Extru-sion. 1th Edition. Wiley-ISTE, 9 de mayo de 2014.url: http : / / www . wiley . com / WileyCDA /WileyTitle/productCd-1848216505.html.
[14] Keith Luker. “Hot-melt Extrusion: PharmaceuticalApplications”. En: ed. por Dennis Douroumis. 1thEdition. A John Wiley, abr. de 2012. Cap. 1. url:http://www.wiley.com/WileyCDA/WileyTitle/productCd-1118307879.html.
[15] Joshua Pearce. Waste plastic extruder: literaturereview. 2014. url: http : / / www . appropedia .org / Waste _ Plastic _ Extruder : _Literature _Review#Characterization_and_recovery_of_polymers_from_mobile_phone_scrap.
[16] Dominik Proschek. “Extruder to Recycle PlasticMilk Bottles”. Tesis de mtría. University of ULS-TER. url: http : / / reprap . org / mediawiki /images/9/90/Master_Thesis_Extruder_Unit.pdf.
[17] Chris Rauwendaal y col. Polymer Extrusion. 5thEdition. Carl Hanser Verlag, 2014. url: http :/ / www . hanser - elibrary . com / isbn /9781569905166.
[18] Bruno Vergnes, Michel Vincent y Jean-Marc Hau-din. “Properties of Polymers”. En: Design of Ex-trusion Forming Tools. Ed. por Olga Carneiroy Joao Nóbrega. 1th Edition. Smithers Rapra,2012. Cap. 2. isbn: 978-1-84735-519-5. url: http:/ / info . smithersrapra . com / publishing /10B16- 1004/design- of- extrusion- forming-tools/.
Journal - IEA 2014, Facultad de Ingeniería - UMSA
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