Chess: Impresión 3D

En esta entrada vamos a recordar qué son los polímeros termoplásticos, y vamos a aprender cómo conformar el PLA en una impresora 3D, para dar forma a nuestra Dama de Ajedrez del set Botvinnik–Flohr II.

Qué son los polímeros

Los polímeros son macromoléculas formadas por la unión repetida de una o varias moléculas.

Desde que en 1860 surgieran las primeras propuestas a través de un concurso para encontrar un material que supliera al marfil de las bolas de billar, sigue viva una carrera por encontrar una alternativa sintética a los productos naturales. Fruto de ese conocido concurso surgió el celuloide, que dio paso a la industria cinematográfica y, ya en 1906, el descubrimiento de la baquelita abrió el paso a una nueva era: la era del plástico.

Polímeros sintéticos:
- Contienen entre 1 y 3 tipos diferentes de unidades que se repiten. Tienen gran importancia industrial.
- Su principal limitación en la máxima temperatura de uso (150-200ºC).
Polímeros naturales o biopolímeros:
- Como la celulosa, el ADN o las proteínas.
- Tienen estructuras complejas.

El Poliácido láctico (PLA)

El polímero que vamos a utilizar para imprimir en 3D va a ser el poliácido láctico,

Es un polímero (poliéster) termoplástico, caracterizado porque sus macromoléculas están desordenadas, e independientes las unas de las otras.

Están unidas por fuerzas débiles, que desaparecen fácilmente al aumentar la temperatura.
Pueden ser moldeadas repetidas veces (se pueden reciclar).

Se obtiene a partir de almidón de maíz, yuca o mandioca, o de caña de azúcar.
Se degrada por hidrólisis, descomposición térmica y fotodegradación.

La impresión 3D

Es un tipo de modelado por desposición fundida (MDF).
Se utiliza en industrias de prototipado y fabricación rápida, y en ingeniería de tejidos médicos.
La impresora extruye un filamento de un polímero que va depositando capa a capa.

Hay que tener en cuenta que nuestra impresora 3D es una máquina que únicamente sabe de “desplázate a tal posición” y “deposita esta cantidad de material”. Hay un proceso desde que tenemos la idea hasta que la pieza está completamente fabricada:

Vamos a ver el ejemplo completo de la impresión de una dama de ajedrez del set BFII, realizado en esta entrada.

Tu idea

Partimos de una imagen de un set de ajedrez muy conocido, el el “Botvinnik-Flohr II» y buscamos más imágenes de su dama, para reproducirla.

El programa de dibujo 3D

Como programa de dibujo en 3D utilizamos FreeCAD, Libre y multiplataforma, patrimonio tecnológico de la humanidad: “Conjunto de tecnologías libres, que nos pertenecen a todos y que podemos desarrollar todos”.

En la misma entrada de antes puedes ver todo el proceso de diseño. Aquí está el resultado final:

Exportar a STL

El formato que vamos a utilizar es el STL (Standard Triangle Language) creado por la empresa 3D Systems para la industrial del prototipado rápido.

El formato STL guarda mallas triangulares. Pero los programas de CAD normalmente trabajan con curvas y superficies representados matemáticamente, con una precisión (casi) infinita.

Por tanto, durante la exportación, FreeCAD debe convertir estas curvas y superficies perfectas en polígonos y triángulos. Dependiendo de la precisión que necesitemos, necesitaremos más o menos triángulos.

Para realizarlo desde FreeCAD, primero selecciona la pieza (1), y vete a Archivo (2), Exportar archivo (3). Como el formato ya es el STL Mesh (4), cambia el nombre de archivo al que necesites (5) y pulsa en Save (6):

El programa Slicer

Ya tenemos nuestra dama tridimensional triangulada en formato STL.

Nuestra impresora 3D sigue sin entender este modelo 3D. Para que lo haga, necesitamos un Slicer («rebanador») para dividirla en capas a distintas alturas. Para cada capa el programa determina las trayectorias del cabezal para realizar la impresión.

El programa de Slicer que vamos a utilizar es el Cura de Ultimaker, que es Open Source.

En este software elegimos como impresora la que vamos a utilizar, Hephestos 2, y el polímero el PLA genérico.

Al abrir el programa .stl en Cura se genera un fichero g-code, que contiene las órdenes a ejecutar por la impresora 3D. Este Gcode es un fichero de texto con un formato que utilizan también las máquinas CNC.

Aquí podemos ver y modificar los Ajustes de Impresión:

Densidad de Relleno: 70%
Temperatura de impresión: 220 ºC
Velocidad de impresión: 60 mm/s
Soporte: Generar soporte

Con estos ajustes, tenemos un tiempo de impresión de 1h29 minutos, con 19g de polímero y 6.48m de bobina.

Guardamos el gcode de la Dama en una tarjeta SD para llevarla a la impresora 3D.

Vamos a probar a realizar otra dama sin soportes:

Con estos ajustes, tenemos un tiempo de impresión de 1h15 minutos, con 18g de polímero y 5.88m de bobina.

La impresora 3D

La impresora que vamos a utilizar es la Hephestos 2, que tiene estas partes básicas:

Estructura
Guiado
Movimiento:
- Motores paso a paso, encargados de mover los distintos ejes (X, Y, Z) de la impresora para con ello dar forma a los objetos que se imprimen.
- Acoplamientos, varillas roscadas y poleas.
Elementos térmicos:
- Extrusor, para derretir el material que se coloca capa a capa en la cama.
- Ventilador para enfriar el hotend y el filamento depositado.
- Cama donde depositar el material extruido.
Electrónica:
- Placa controladora con un firmware, para controlar los motores, termorresistencia, termosensor, pantalla,…
- Pantalla LCD, para acceder al menú de opciones (carga de filamento, nivelado de plataforma, ajustes, temperatura,…).

Aquí puedes ver el montaje que hice de una Hephestos 2 en el curso del CFIE de Salamanca «Montaje y aplicaciones de una impresora 3D»:

La pieza final

Aquí podemos ver la pieza recién impresa de la Hephestos 2. Se pueden apreciar algunos pequeños fallos en la impresión, que luego habrá que lijar y pulir:

Los curvas redondeadas no funcionan bien desde abajo debido a los voladizos pronunciados.
Las curvas se ven bien con un eje en la dirección Z, pero debido al proceso de capas pueden quedar muy pobres en las direcciones X/Y.