Colección CIDI TecnologíaM.T. 1

Manual de trabajoImpresión TridimensionalPAPIME EN109404

T.D.I. Sergio Luna PabelloD.I. Sergio Torres MuñozD.I. Saúl Grimaldo LópezD.I. David Reyes GarcíaD.I. Mauricio Reyes Castillo

Responsable del proyecto: Arq. Arturo Treviño Arizmendi

Indice

IntroducciónCapítulo 1. Formas convencionales de producir prototipos

1.1 Modelos de trabajo1.2 Modelos o simuladores de presentación1.3 Modelos o simuladores funcionales1.4 Prototipos1.5 Elaboración artesanal de prototipos de modelos

semi-industriales1.6 Producción mecanizada de modelos y simuladores

Capítulo 2. Formas de elaborar prototipos rápidos2.1 Estereolitografía2.2 Fabricación por capas laminadas2.3 SLS. Sinterizado Selectivo por Láser2.4 FDM. Modelado por Deposición de Material Fundido 2.5 Colada Bajo Vacío, con resinas de poliuretano2.6 Impresión tridimensional

Capítulo 3. Impresión Tridimensional3.1 Usos y aplicaciones3.2 El proceso Básico

3.2.1 Generación del modelo3.2.2 Conversión a formato STL3.2.3 Dividir el archivo STL en capas3.2.4 Construcción del modelo capa por capa3.2.5 Limpieza y acabado

Capítulo 4. Software compatible4.1 Programas más utilizados4.2 Formatos de archivos

Capítulo 5. Software de corrección de archivos STL5.1 Errores comunes

5.1.1 Regla vértice -a -vértice5.1.2 Normales invertidas5.1.3 Dobles caras y bordes múltiples5.1.4 Huecos, agujeros, puntas y aristas abiertas5.1.5 Caras degeneradas5.2 MAGICS. Software de corrección

Capítulo 6. Equipo Utilizado6.1 Impresora Spectrum Z510

Capítulo 7. Materiales7.1 Powders7.2 Binder7.3 Infiltrantes

Capítulo 8. Consideraciones para obtener el costo de un prototipo rápido

Glosario

Proveedores

Bibliografía

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Coordinación EditorialD.I. Héctor López Aguado Aguilar

Diseño editorial y de portada:D.G. Irlanda Shelley del Río.

Colaboradores:Sonia Ingrid Hidalgo YoungGabriela Castillo Arellano

DR©2008Centro de Investigaciones de Diseño Industrial.Facultad de Aquitectura Universidad Nacional Autónoma de México.

Ciudad Universitaria, 04510, México, D.F.ISBN 978-970-32-5303-6Impreso en México / Printed in Mexico

El presente documento corresponde al proyectoPAPIME convocatoria 2004: en109404 "creación dela asignatura selectiva de prototipaje digital", y es elresultado de un esfuerzo conjunto de autoridades yacadémicos por mantener al Centro de Investiga-ciones en Diseño Industrial (CIDI) y a la UNAM en lavanguardia de la enseñanza.

Este proyecto permitió, además de actualizar la baseacadémica de los laboratorios, la creación del área deimpresión 3D, donde el enfoque de trabajo abarca ladocencia, la investigación y el desarrollo de nuevosproductos y procesos de producción, campos todosellos vinculados con el de elaboraciónde prototiposrápidos.

La elaboración de este tipo de prototipos parte delmodelado digital de objetos, interpretando el modelodigital en planos a través de una interfase paradespués desarrollar físicamente la impresión 3D, loque permite al diseñador industrial tener una he-rramienta de trabajo rápida y precisa.

Con estos nuevos conocimientos nuestros egresadosamplían su espectro de habilidades, lo que les per-mite ser más competitivos y eficientes.

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Introducción

Cuarto Semestre

1¿Que és un prototipo?

Un prototipo es un ejemplar original que se fabrica deun objeto. Un prototipo también se puede referir acualquier tipo de máquina en pruebas, o a un objetodiseñado para una demostración de cualquier tipo.

Los prototipos permiten probar el objeto antes de queentre en producción, detectar errores y corregir defi-ciencias, etcétera.

Cuando el prototipo está suficientemente perfecciona-do en todos los sentidos y cumple losrequerimientos para las que fue desa-rrollado, el objeto puede empezar aproducirse.

Un prototipo es también un simulador aescala de lo real, pero no tan funcionalcomo para que equivalga a un produc-to final, ya que puede no llevar a cabola totalidad de las funciones necesariasdel sistema final, sin embargo unaretroalimentación temprana por partede los usuarios acerca del sistema.

El principal propósito del prototipo esobtener y validar los requerimientosesenciales, manteniendo abiertas lasopciones de implementación. Estoimplica que se deben tomar los comen-tarios de los usuarios, pero sin perderde vista los objetivos.

La concepción de ideas, va evolucio-nando y en medida de tal evolución losconceptos necesitan ser mucho masaproximados al producto real encuestión.

1.1 Modelos de trabajoLos modelos de trabajo muestran un bosquejo gene-ral del producto. Son utilizados generalmente durantela lluvia de ideas y permiten las tendencias iniciales deun producto.

1.2 Modelos o simladores de presentación

Los modelos de presentación cuentan con una mayorinformación en cuanto a su aproximación al producto

final. Se muestran los posibles aca-bados, aplicaciones y apariencias engeneral. Usualmente son el punto departida en la búsqueda del productofinal y a partir de este se elaborarananálisis mas aproximados de unobjeto.

1.3 Modelos o simuladores funcionales

Los simuladores funcionales, presen-tan en gran medida la labor mecánicaque ejecutara el producto, y exhibirásu comportamiento ante ciertos fac-tores de uso cotidiano. Pueden sercombinados con los de presentaciónpara buscar un análisis más ambi-cioso.

1.4 Prototipos

Los prototipos son en definitiva elproducto similar o mas aproximado alproducto final, en el que se analizanfactores técnicos de manera muchomas profunda, ya sea en sus méto-dos de elaboración o confiabilidadfuncional, así mismo, proveen datospara su fabricación y en consecuen-cia, sus ventajas o limitantes.

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1. Formas convencionales de producir prototipos

2El término de prototipo rápido (RP) se refiere a lastecnologías que permiten fabricar modelos físicos apartir de un modelo generado por computadora(CAD), estas "impresoras tridimensionales" le per-miten a los diseñadores crear prototipos tangibles desus diseños en lugar de solo imágenes bidimensiona-les. Estos modelos tienen numerosos usos. Son exce-lentes auxiliares visuales para comunicar ideas concolaboradores y clientes. Además, pueden utilizarsepara comprobar y validar el diseño.

2.1 Estereolitografía

Patentada en 1986, la estereolitografía comenzó larevolución en los prototipos rápidos.

La técnica construye los modelos tridimensionales depolímeros foto sensitivos líquidos que se solidificancuando se exponen a la luz ultravioleta. El modelo seconstruye sobre una plataforma situada debajo de lasuperficie de una tina de epóxico líquido o resina acríli-

ca. Un láser de bajo poder enfocado en la superficietraza la primera capa y solidifica solo el material queconforma la sección transversal del modelo, dejandolíquido el resto del material.

Luego, un ascensor baja la plataforma en el polímerolíquido. Un rasero vuelve a colocar líquido sobre lacapa ya solidificada y el láser traza la segunda capapor encima de la primera. Este proceso se repitehasta que el prototipo está completo.

En el desarrollo de objetos se utilizan medios ma-nuales (herramientas) y mecánicos (máquinas her-ramientas) realizados con cierto nivel de técnica (estu-dios académicos o experiencia laboral o profesional) ymétodos de ejecución controlada, como por ejemplo,conocimiento del comportamiento geométrico, elmanejo de escalas, dimensiones, proporciones, tole-rancias o funciones a ejecutar.

1.5 Elaboración artesanal de prototipos de modelos semi-industriales

Los modelos realizados de esta manera requieren deun alto conocimiento de la técnica y del uso de herra-mental adecuado, de esta manera los métodos de eje-cución varían de acuerdo a la com-plejidad del simulador o modelo asícomo del conocimiento del materiala utilizar en la fabricación delmismo.

La metodología es determinada porel conocimiento técnico y sobretodo por los medios disponiblespara su realización, en cuanto amáquinas y herramienta se refiere.

Existen especialistas en la creaciónde modelos y simuladores que gra-cias a sus habilidades y cono-cimientos en las áreas especifi-cadas, logran obtener productos deemulación de una muy alta calidaden cuanto a sus aproximacionesfísicas, funcionales y visuales, queal mismo tiempo contienen un con-siderable valor agregado.

Su ejecución es determinada porlas necesidades del proyecto, encuanto a tiempo, costo, calidad ypor supuesto del tipo de modelo osimulador que se requiera.

1.6 Producción mecanizada de modelos y simuladores

Es realizada principalmente por medios industrialesavanzados o medios digitales por ordenador. En estaclase de modelos es necesario tomar en cuenta losiguiente:

Desarrollo con bosquejos ge-nerales y de bajo tiempo de eje-cución. Inversión y capacidadesde obtención de herramentalsofisticado.Mayor conocimiento de la técni-ca, capacitación y continúoaprendizaje para asegurar elmejoramiento de la ejecuciónde modelos y prototipos.Justificación y adopción delnombre de "prototipos rápidos".Como nombre genérico dentrode la creación de objetos y con-ceptos de aproximación tridi-mensionales por medios digi-tales.

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2. Formas de elaborar prototipos Rápidos

Lentes EspejoLáser HeCd

BarredoraElevador

PlataformaPolímero Líquido

Láser HeNe

2.4 FDM (Modelado por Deposición de Material Fundido)

En esta técnica, un filamento de plástico térmico fundi-do, es extruida de una punta que recorre el plano X-Y.Tal como un panadero decorando un pastel, lacabeza de extrusión controlada deposita gotas muydelgadas de material en la plataforma de construc-ción para formar la primera capa. La plataforma semantiene a una temperatura más baja, para que elplástico térmico endurezca rápidamente. Después deque la plataforma baja, la cabeza de extrusióndeposita una segunda capa encima de la primera. Almismo tiempo se construyen apoyos que se unen almodelo inmediatamente, generados en un materialmás débil de estructura reticular

2.5 Colada Bajo Vacío, con resinasde poliuretano

Proceso que permite emular las características deciertos materiales plásticos, para ello se usan formu-laciones de poliuretanos que se vierten en moldessellados de silicón transparente, el cual permite vi-sualizar el llenado, una vez vertido el material seextrae el aire con un sistema de vacío., con lo cual segarantiza el llenado del molde y la calidad en la repro-ducción. Posteriormente el molde se coloca dentro deun horno para acelerar el proceso de polimerización.

Las temperaturas y los tiempos de curado varíanacorde a la formulación empleada.

2.6 Impresión Tridimensional

La impresión tridimensional se refiere a una claseentera de equipos que emplean tecnología de inyec-ción. El primero fue la impresión tridimensional (3DP)desarrollada en el MIT y licenciada a SoligenCorporation Extrude Hone y otros. La impresoraZCorp 3D, producida por Z Corporation de Burlington,MA, es un ejemplo de esta tecnología. En esta, seconstruye el modelo sobre una plataforma situada enun contenedor lleno de material en polvo. Un cabezalde inyección deposita o "imprime" un liquido agluti-nante que une el polvo en las áreas deseadas. Elpolvo sin unir sirve como soporte a las piezas. Laplataforma desciende, se agrega más polvo y serepite el proceso. Al terminar, se retira la pieza delpolvo, y es retirado el exceso de polvo con una pisto-la de aire. Las piezas pueden infiltrarse con cera,cianoacrilato u otros selladores para mejorar la dura-bilidad y el acabado de la superficie. El espesor decapa típico de esta tecnología esta en el orden de 0.1mm. Este proceso es muy rápido, y produce modeloscon una superficie ligeramente granulada. ZCorp uti-liza dos materiales diferentes, una hidrocelulosa y unpolvo cerámico. Existen máquinas con capacidad deimpresión a color.

Después la parte sólida se retira de la tina y se limpiael exceso de líquido. Se eliminan los apoyos y el mo-delo se coloca en un horno ultravioleta para comple-tar el curado.

2.2 Fabricación por capas laminadas

En esta técnica, desarrollado por Helisys de Torrence,CA, se unen capas de material laminado recubiertasde adhesivo para formar el prototipo. El materialoriginal consiste en papel laminado con pegamentoactivado por calor enrollado en bobinas. Un mecanis-mo de alimentación adelanta la hoja por encima de laplataforma de construcción donde ya ha sido construi-da una base de papel y espuma de doble cara. A con-tinuación, un rodillo caliente aplica presión para unirel papel a la base. Un láser corta el contorno de laprimera capa en el papel y secciona el material exce-dente (el espacio negativo del prototipo). Este sec-cionado corta el material excedente haciendo masfácil su remoción durante el post-proceso. Durante laconstrucción el material excedente funciona como unexcelente apoyo para los elementos delicados y lasparedes delgadas.

Después de que la primera capa es cortada, laplataforma baja para colocar material nuevo. Laplataforma se eleva ligeramente a la altura anterior, elrodillo une la segunda capa a la primera y el lásercorta la segunda capa y este proceso se repite hastacompletar el modelo que tendrá una textura similar ala madera. Puesto que los modelos están hechos depapel, estos deberán sellarse y terminarse con pintu-ra o barniz para prevenir daño de humedad.

2.3 SLS (Sinterizador Selectivo por Láser)

Desarrollado por Carl Deckard para su tesis demaestría en la Universidad de Texas, el sinterizadoselectivo por láser fue patentado en 1989. Esta técni-ca utiliza un rayo láser que selectivamente fundematerial en polvo como nylon, elastómero y metal, enun objeto sólido.

El modelo se construye en una plataforma bajo lasuperficie de un contenedor del material, el cual sederrite con calor. Un láser traza la primera capa delmodelo, sinterizando el material, la plataforma baja laaltura de una capa y vuelve a aplicar el polvo. Esteproceso continua hasta terminar el modelo. El polvoexcedente de cada capa sirve como soporte del mo-delo durante la construcción.

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LáserEspejo

Lente ÓpticoRodilloCaliente

Plataforma

Alimentador Colector

Láser

Espejos de escaneo

Rodillo nivelador

A B

Plastificador

Punta

Filamento

Ruedas guía

SoporteAglutinante

Pieza impresa

El mismopolvo sirvede sportepara la pieza

3Además de los prototipos, las técnicas de RP puedenutilizarse en la elaboración de moldes (llamadosmoldes rápidos) e inclusive partes con calidad de pro-ducción (manufactura rápida). Para tirajes de produc-ción pequeños y objetos de geometría compleja, elprototipado rápido es a menudo la mejor opcióndisponible.

Debido a que las tecnologías de RP están siendo uti-lizadas en aplicaciones diferentes a la elaboración deprototipos también son conocidas como Fabricaciónde sólidos de libre forma, Fabricación automatizadapor computadora o fabricación por capas. Este últimotérmino es particularmente descriptivo del procesoindustrial usado por todas las técnicas comerciales.Un paquete de software "rebana" el modelo de CADen varias capas delgadas (0.1 mm) que se cons-truyen una sobre otra. El prototipado rápido es unproceso aditivo que combina capas de polvo, papel oplástico para crear un objeto sólido. En contraste, lamayoría de los procesos de maquinado (torno, tala-dro, etc) son procesos sustractivos que quitan mate-rial de un bloque sólido. La naturaleza del RP le per-mite crear objetos con rasgos interiores complicadosque no pueden ser fabricados a través de otrosmedios.

3.1 Usos y aplicaciones

Modelos rápidos.Prototipos rápidos.Moldes rápidos.Manufactura rápida.

3.2 El proceso básico

Aunque existen varias tecnologías de prototipadorápido, todas emplean el mismo proceso de cincopasos básicos. Los pasos son:

Generar el modelo mediante un programade modelado 3D (CAD).Convertir el modelo a formato STL.Dividir el modelo STLen delgadas capas transversales.Construir el modelo capa por capa.Limpiar y terminar el modelo.

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3.2.1 Generación del modelo

En primer lugar, el modelo a ser construido se mode-la por computadora en un programa de DiseñoAsistido por computadora (CAD). Los modeladoresde sólidos como Pro/Engineer, tienden a representarlos objetos 3D con mayor precisión que los mode-ladores de malla como Auto CAD, y por consiguienterendirán mejores resultados. El diseñador puede uti-lizar un archivo de CAD preexistente o puede crearuno expresamente para propósitos de prototipado.Este proceso es idéntico para todos los sistemas deprototipado.

En la elaboración de un modelo 3D, independiente-mente del programa que utilice, es necesario teneren cuenta aspectos particulares de esta tecnología enaras de obtener un mejor resultado. Conviene tomaren cuenta las siguientes recomendaciones:

Generar un archivo por objeto a modelar,escala 1:1, acotaciones en mm.

Tamaño de las piezas

La capacidad de volumen de las impresoras3D varían de un modelo a otro. En el caso deSpectrum Z510 es de 254 x 356 x 203 mm.Por lo que en el caso de piezas que rebasenestas dimensiones será necesario dividir elmodelo y unir las piezas posteriormente.

Piezas sólidas ó piezas huecas

Sea sólida ó hueca la pieza que se deseaobtener hay que tener en cuenta el volumende material que se va a consumir (powder),pues el costo de la pieza variará sensible-mente de una a otra. En el caso de las piezashuecas es necesario considerar "salidas es-tratégicas" para poder recuperar el materialque queda atrapado en el interior.

Separación entre piezas

Es posible generar ensambles con movimien-to entre sus piezas como un solo archivo STL.En estos casos se debe considerar una sepa-ración entre las piezas (en la medida que elensamble mismo lo permita) de mínimo 1.5 mm.Esto es para permitir la salida del materialatrapado entre ellas y evitar que despuésestas piezas queden pegadas al momento deinfiltrar el ensamble.

Espesores de pared

Es conveniente procurar que los espesores ten-gan como mínimo 1.2 mm. Aunque la Impresora3D puede generar espesores mucho mas pe-queños, el manejo posterior de la pieza se com-plica debido a su fragilidad inicial.

Estructuración de las piezas

Sea parte del diseño de la pieza ó no, es nece-sario dotarlas de estructura en alguna medida;esto es para evitar que resulten ser demasiadofrágiles y su manejo se complique.

Ubicación de las piezas

Aunque no es obligatorio actualmente, (hacealgunos años si lo era) es recomendable elubicar las piezas en coordenadas positivas(X,Y,Z) desde el programa donde se esténgenerando.1

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3. Impresión Tridimensional

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3.2.2. Conversión a formato STL

El formato de archivo estándar del prototipado rápidoes el archivo .stl (Standar Triangulation Language).Este formato define la geometría de los objetos me-diante una malla de triángulos en la superficie deestos. Para que un objeto definido en un archivo STLse construya correctamente los triángulos debenencajar perfectamente entre ellos sin huecos ni su-perposiciones; y deben tener sus normales orien-tadas todas hacia el exterior de la pieza.

Dado que el formato STL utiliza elementos planos, nopueden representar superficies curvas exactas.

Aumentando el número de triángulos mejora la aproxi-mación, pero a costa de tamaños de archivo masgrandes. Los archivos grandes y complejos requierende mayor tiempo para pre-procesar y construir, el di-señador deberá equilibrar exactitud y manejabilidadpara producir un archivo STL útil.

Hoy en día casi todos los paquetes de software 3Dsoportan la exportación directa a STL con distintosgrados de control. Algunos permiten seleccionar ladensidad del archivo .stl exportado (el número de polí-gonos que definen el sólido), mientras que otros sóloofrecen la opción de seleccionar el nombre del archi-vo y opciones ASCII/BINARY. Los paquetes que noofrecen exportación directa a STL muy probablementeexportarán a otros formatos comunes (DXF, 3DS, etc.)que pueden convertirse con facilidad a STL.

3.2.3. Dividir el archivo STL en capas

En el tercer paso, un programa de pre-proceso(ZPrint) prepara los archivos STL para ser construi-dos. Existen varios programas disponibles y algunospermiten al usuario inclusive ajustar el tamaño,situación y orientación del modelo. La orientación delmodelo es importante por varias razones. Primero, laspropiedades de los prototipos rápidos varían de unaorientación a otra. Por ejemplo, los pro-totipos son normalmente más débiles ymenos exactos en el eje Z (vertical) queen la dirección del plano X-Y (horizontal).Además, la orientación del modelo deter-mina parcialmente la cantidad de tiemponecesario para construir el prototipo.Poniendo la dimensión más corta en ladirección de z se reduce el número decapas y acorta el tiempo de construcción.

El Software de pre-proceso divide al modelo en variascapas muy delgadas de 0.01 mm a 0.7 mm de espe-sor, dependiendo de la técnica utilizada. El programatambién puede generar estructuras auxiliares desoporte para apoyar el modelo durante la construcción.

Los apoyos son útiles para los detalles delicados,como proyecciones, cavidades interiores y seccionesde pared muy delgadas. Cada fabricante de equiposde RP proporciona su propio software de pre-proceso.

3.2.4. Construcción del modelocapa por capa

El cuarto paso es la construcción real de la pieza.

Usando alguna de las técnicas de prototipado, lasmáquinas de RP construyen una capa a la vez, yasea de polvo, papel o plástico. Dicha capa corres-ponde a la geometría del modelo digital. La mayoríade las máquinas son autónomas y necesitan poca onula intervención humana.

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33..22..55.. LLiimmppiieezzaa yy aaccaabbaaddoo

El paso final es el post-proceso. Esto involucra retirarel prototipo de la máquina y quitar los apoyos.

Algunos materiales foto sensitivos necesitan ser cura-dos totalmente antes de su uso. Los prototipos tam-bién pueden requerir limpieza menor y tratamiento dela superficie. En el caso de los prototipos elaboradosen base a polvos se requiere una limpieza que iniciacon brocha, continua con aspiradora de ser necesarioy culmina con aire a presión. El sellado se inicia apli-cando cianocrilato o resina epóxica posterior al sella-do. Se puede lijar y pintar el modelo mejorando suapariencia y durabilidad.

Entre los materiales utilizados en esta tecnologíapodemos contar materiales rígidos para prototipos devisualización y análisis de concepto así como paramodelos médicos, materiales de alta resistencia paraelaborar piezas funcionales y piezas de maquinariaque sean sometidas a cierto trabajo durante un perio-do corto de tiempo, flexibles similares al hule utilizadospara calzado o para cuestiones vasculares en medici-na, materiales semirigidos para realizar piezas de en-samble o montajes específicos e incluso un materialcerámico que resiste altas temperaturas y que se uti-liza para hacer moldes de fundición en los cuales sepuede vaciar metales como aluminio o zinc.

En cuanto al tiempo que toma imprimir un modelopodemos decir que el termino “prototipos rápidos” esun poco relativo si tomas en cuenta que un modelopuede tardar entre 3 y 24 horas en imprimirse pero silo comparas con las semanas e incluso meses quetienes que aguardar por un prototipo elaborado pormétodos tradicionales que en su mayoría siguen sien-do procesos artesanales de modelado, entonces si esrápido.

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Dadas las diferencias entre el formato STL y los for-matos 3D de origen, las conversiones ocasional-mente dejan fallos estructurales en el modelo. Por lotanto, los archivos STL deben ser comprobados usan-do un software especial (Magics, el comprobador STLde 3D Max) antes de utilizarse para fabricar un mode-lo. Los pequeños errores pueden repararse de mane-ra automática por el software, pero errores masgraves pueden requerir la intervención de un expertoen CAD.

En muchas ocasiones resulta más sencillo regresar alsoftware de origen, hacer algún ajuste y volver aexportar el archivo.

5.1 Errores comunes

A continuación se mencionanalgunos de los problemas comu-nes que surgen durante la malapreparación de un archivo .stlpara su impresión.

• Regla Vértice-a-Vértice• Normales invertidas • Dobles caras y bordes múltiples• Huecos, Agujeros, Puntas y

Aristas Abiertas• Caras degeneradas

5.1.1. Regla Vértice-a-Vértice

El error más común en un archi-vo .stl es que no respete la reglaVértice-a-Vértice. Las especifica-ciones .stl requieren que todoslos triángulos adyacentes com-partan dos vértices en común.Para que esto sea válido bajo laregla Vértice-a-Vértice, el trián-gulo inferior debe ser subdividi-do. Ésta es la causa típica deque queden agujeros.

Solución: Los programas de reparaciónautomática de .stl son capacesde diagnosticar y reparar esteproblema en la mayoría de lascircunstancias pero la repara-ción manual es prácticamente

inevitable para objetos o proyectos amplios y comple-jos. La reparación básica es como sigue: borra algu-nas caras y las reconstruye utilizando los vértices co-lindantes. Qué caras borrar y cuál es el númeroapropiado de caras adicionales a construir dependedel contexto del error. Con un poco de práctica,puedes reparar fácilmente este error cuando tu he-rramienta de reparación automática no puede o falla.

5.1.2. Normales invertidas

Otro error común de los archivos .stl es que las nor-males de superficie (polígonos) estén incorrecta-mente orientadas. El signo visible de una normalinvertida se confunde fácilmente con un hueco o agu-jero en el objeto. Este error es causado por una cons-trucción manual incorrecta de cara, o la aplicación

inadecuada de la reparaciónautomática (i.e. unificar o recal-cular normales). Las opera-ciones booleanas tambiénpueden causar errores bajoalgunas circunstancias, habi-tualmente a causa de malosoperandos.

Solución:Todos los paquetes 3D moder-nos ofrecen herramientas paracorregir normales manualmen-te así como automáticamenteutilizando el comando "unificarnormales". En la mayoría de losobjetos, estas herramientasautomáticas son capaces decumplir con la tarea perfecta-mente. Pero algunos objetospueden causar problemas, co-mo por ejemplo objetos conautointersecciones, huecos oagujeros. Cuando se cons-truyen caras manualmente unonecesita adherirse a "la-regla-de-la-mano-derecha" (listar losvértices de las facetas en elsentido contrario a las agujasdel reloj cuando se observa elobjeto desde el exterior) Si haysólo unas pocas normales in-vertidas, es sencillo y rápidorepararlas manualmente. Sinembargo, con muchos errorespuede ser un proceso lento ytedioso.

5. Software de corrección de archivos .STL4CAD, CAM, CAE son siglas con las que identificamosdiversos paquetes de cómputo (software) destinadosa auxiliar diversas tareas de diseño, ingeniería y ma-nufactura en un muy amplio rango de industrias de latransformación. Obviamente, estas herramientasimpactan de una u otra forma en la actividad del dise-ñador industrial.

Actualmente existe en el mercado una amplísimaoferta de estos programas con los cuáles; especial-mente los CAD, es posible generar objetos virtualestridimensionales que, en determinado momento,pueden ser “sacados” de la computadora a través deuna impresión 3D.

A grandes rasgos, estos progra-mas de modelado virtual sebasan en una representaciónmatemática de las tres dimen-siones y en un conjunto de herra-mientas que pueden dividirsebásicamente en dos ramas:

• Modelado de sólidos• Modelado de superficies

Las principal diferencia entreestos dos tipos de modelado es elhecho de que el modelado de sóli-dos es más empleado en áreasde producción por su capacidadde cálculo de propiedades físicascomo volumen, peso, densidad,resistencia al impacto, etc. Porotro lado el modelado con superfi-cies permite un trabajo más libreen lo que a forma se refiere,haciendo más sencilla la obten-ción de geometrías orgánicas.

Esto no significa que no sea posi-ble realizar objetos con formasorgánicas con programas CADque trabajan con sólidos, o vice-versa. Incluso hay programas enlos que se integra ambos tipos demodelado en un solo objeto.

4.1 Programas más utilizados

Entre los más conocidos podemos mencionar:Autocad, Mechanical Desktop, Inventor, Pro-Enginer,Solid Works, 3D Max, Rhino, Maya, Studio Tools,Cobalt, Cinema4D y Ligthwave.

Hoy en día, la mayoría de los programas de modela-do tridimensional son capaces de generar archivosSTL, que son los que la impresora 3D necesita parahacer su trabajo. Incluso cuando no es así, es posiblegenerar archivos .3ds que pueden ser fácilmenteexportados desde otro programa al formato STL.

En el caso del software ZPrint, además de sus formatospropios (ZBD, ZCP, ZEC, BLD)se pueden abrir incluso otrostipos de archivo, como es elcaso de los STL. Entre ellosestán: VRML, PLY y SFX.Todos ellos, al igual que el archi-vo STL contienen informaciónde un modelo 3D, pero a dife-rencia de este último incluyentambién información de los co-lores presentes en las piezas.

44..22 FFoorrmmaattooss ddee AArrcchhiivvoo

zbd Archivos de construcción creados por ZPrint.

zcp Archivos de modelos 3D con color creados por Zprint

zec Archivos de modelos 3D con color creados por ver-siones anteriores ZPrint

bld Archivos de construcción creados por versiones anteriores ZPrint

sfx Archivos de modelos 3D con color creados por SolidView/Pro

stl Stándar Triangulation Language

Archivos de modelos 3D mono-cromáticos, pueden crearse en mu-chos programas CAD ply (Polygon Model Format)Archivos de modelos 3D con color,pueden crearse en muchos progra-mas CADvrml Virtual Reality Model

Language

4. Software compatible

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5.1.5. Caras degeneradas

Estos errores son usualmente un síntoma de unaconfiguración errónea de importación/exportación, delas limitaciones de la exportación .stl del programa 3Dque se este utilizando, o el resultado de una variedadde booleanos inapropiados,optimización y otrasoperaciones de malla.

Los tipos de caras degeneradas incluyen: los tres vér-tices de la faceta son co-lineales o se transforman enco-lineales cuando el algoritmo de la aplicaciónimportadora trunca las coordenadas previamente noco-lineares.

Los tres vértices de la faceta son coincidentes o setransforman en coincidentes cuando el algoritmo dede la aplicación importadora trunca las coordenadasno coincidentes previamente.

Solución: No hay arreglos automatizados para estos tipos deerrores. Algunos programas pueden detectarautomáticamente estos errores como vértices, carasy aristas huérfanos/as, y algunos pueden detectarsuperficies largas y delgadas como problemáticas. Elúnico arreglo auténtico es diagnosticar la cola deimportación/exportación y asegurarse de que no se

pierde información en la transición. Habitualmentebasta con cambiar las tolerancias de construcción, laconfiguración de unidad y la de soldado para reme-diar estos errores.

5.2. MAGICS. Software de Corrección

Magics es un software de gran utilidad en el manejo,edición y corrección de archivos para impresión tridi-mensional (STL) este programa permite generar pro-totipos de gran calidad en un periodo muy corto detiempo, obteniendo una completa documentacióndurante todo el proceso.Este software puede importarla mayoría de los formatos estándar de modeladotridimensional: STL, VDA, IGES, STEP; VRML, DXF,y formatos nativos de programas como UG/Parasolidy Catia. Muchas veces los programas de CAD gene-ran errores al momento de exportar la información yes necesario corregir dichos errores antes de poderenviar la información al equipo de impresión tridimen-sional. Con Magics se puede diferenciar inmediata-mente entre un buen STL y uno erróneo. Magicsincluye capacidades que permiten interactuar directa-mente con archivos defectuosos corrigiendo erroresen cuestión de minutos, cuenta también con herra-mientas de corrección automática que son muy sen-cillas de utilizar. Utilice el programa para invertir nor-males posicionadas incorrectamente, unir bordes malcerrados entre si, rellenar cavidades, cortar y mezclarsuperficies e incluso realizar operaciones booleanas.Adicionalmente Magics cuenta con módulos indepen-dientes útiles para realizar soportes para impresióntridimensional, elaborar moldes a partir de un archivoSTL. Estas son solo algunas de las capacidades conlas que cuenta el programa.

5.1.3. Dobles caras y bordes múltiples

Las dobles caras y bordes múltiples son lo que sunombre sugiere. Estos errores .stl ocurren donde, pordiversos motivos, las caras y los bordes duplicadospertenecen a un objeto. Si hay duplicados de objetoscompletos, el arreglo es simple: encuentra los dupli-cados y borralos para dejar una copia intacta .stl delobjeto que se está manipulando. La otra posiblecausa de este error es que los fragmentos de objetoscercanos fueran agrupados de manera inadvertida enla misma malla y el programa los reconozca comoduplicados.

Solución:Estos problemas se remedian habitualmente median-te el uso de software de reparación de .stl (MagicsRP, el comprobador de .stl de 3D Studio MAX). Eldiagnóstico manual es tedioso y tiende al error.

Suele ser mejor intentar re-exportar el archivo originaldespués de cierta limpieza en la aplicación de origen.

Si la reparación manual es la única opción posible,localiza y borra los duplicados y resuelda los elemen-tos apropiados (p. e.: caras, vértices y aristas). Si olvi-das resoldar, tendrás que hacer frente al menos a unode los errores descritos en esta sección (abrir aristas,puntas, agujeros, huecos, etc.).

5.1.4. Huecos, Agujeros, Puntas y Aristas Abiertas

Agrupamos estos errores porque tienen una mismarazón de ser.

Los huecos son errores comunes debidos a una trian-gulación inapropiada de las superficies de B-spline(NURBS, parches Bezier, etc.). Cualquier proceso(construcción automática de facetas o parametri-zación automática) que no asegure un objeto sólidohermético tiende a producir huecos.

Los agujeros son similares a los huecos, excepto queson normalmente más visibles y habitualmente con-secuencia de booleanos inapropiados y soldadoinapropiado de una capa superficial (o perdiendocapas accidentalmente). Los agujeros son tambiéncomunes en el escaneado 3D y en los sistemas deproceso de nube de puntos, como los que se utilizanen aplicaciones de ingeniería inversa. Los agujeros

son exactamente lo que su nombre sugiere: soncaras perdidas en superficies que de otra maneraserían contiguas.

Las puntas son rasgos del estilo de una penínsulaque tienen aristas abiertas a lo largo de sus costas(extremos).

Las aristas abiertas son normalmente los bordes deun hueco o un agujero, o los límites de una punta. Enlos casos, en los que no hay ni un hueco ni un agu-jero ni una punta presentes, las aristas abiertas son elresultado de un soldado inapropiado o incompleto.

Solución: Casi todos estos errores pueden ser reparados (condistintos grados de precisión) a través de unaoperación básica de tapado. Una operación de tapa-do localiza cualquier arista abierta (cualquier locali-zación que cause que el objeto no sea hermético) y lasella. Con el tapado, es común que se conecten lasaristas de manera incorrecta y que surjan carasaleatorias en los objetos, así que debe usarse con lamayor de las precauciones. Las herramientas detapado son "estúpidas" y no les importa qué transi-ción se produce entre la superficie original y lasnuevas capas. Algunos programas automatizados dereparación de .stl (como Magics RP) tienen la capaci-dad de realizar un tapado de manera que intentemantener la curvatura a lo largo superficies reciéntapadas.

Puesto que hay literalmente cientos de situacionesque llevan a errores como los mostrados aquí, a con-tinuación explicamos algunos tratamientos genéricos.

Todos estos errores tienen aristas abiertas en común.

Aunque el tapado "aleatorio" puede cambiar la apa-riencia de tu objeto, prácticamente siempre lo vuelvehermético. Desde ahí, se pueden reconstruir ciertasporciones y cubrir los errores producidos por el tapa-do. Este proceso suele ser mejor que una recons-trucción.

Es posible corregir manualmente estos errores verifi-cando que los elementos no duplicados están apropia-damente soldados. La complejidad de esta tarea crecerápidamente con el tamaño del modelo (número depolígonos), así que es adecuado hacer comproba-ciones tempranas (y frecuentes) en la fase de diseñodel modelo para evitar largos procesos de detecciónde errores .stl en tu modelo terminado.

Un ejemplode superficie

con huecos

Tapado de huecosincorrecto: el objeto de

la izquierda muestraerrores .stl en rojo.

El tapado resuelve loserrores pero no obtiene

el resultado deseado.

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Los prototipos pueden ser sometidos a pruebas defuncionamiento, maquinado y taladrado entre otros.Excelente desempeño en altas temperatura.

Tiene el ensamble rudo aun en paredes muy del-gadas.

Z Snap. Material semirígido. Este material es empleado cuando se requieren pro-totipos que presentan algún tipo de ensamble o arma-do posterior, ya que nos proporciona piezas de menorrigidez que tienen cierto nivel de flexión suficientepara elaborar lengüetas, insertos y elementos deensamble que puedan ser sometidos a ciertos esfuer-zos sin llegar a la ruptura.

Material flexible. Este material nos permite generar piezas con carac-terísticas similares al hule, que pueden ser emplea-das para realizar mangueras, simulaciones vascu-lares y hasta suelas para calzado.

Z CAST. Material para fundición. Material Cerámico que soporta altas temperaturas.Es ideal para realizar vaciado de metales no ferrososcomo aluminio o zinc.

7.2. Binder

Solución con base agua, que se usa como aglutinantedel powder, es aplicado por una cabeza de impresiónHP, con una resolución de 300 dpi, a través del binderproporcionamos color.

7.3. Infiltrantes

Son materiales líquidos que se agregan al objetoimpreso con polvos, para poder manipularlos y darlesacabados.

El Cianocrilato se aplica por goteo y se usa pararigidizar el objeto, lo cual permite lijar la superficie,aplicarle una base primaria y pintarlo.

La cera líquida, es usada para objetos que se repro-ducirán con el proceso de cera perdida.

El Zmax, es una resina epóxica que al aplicarse conbrocha las capas necesarias, dan al objeto unadureza superior a la que el cianocrilato proporciona,es ideal para obtener moldes de termoformado.

Al trabajar con estas sustancias se recomienda usarlentes, guantes y que el lugar este ventilado.

Las impresoras tridimensionales le ayudan a aumen-tar la rapidez y eficiencia en sus procesos de diseñoy a obtener la mayor calidad en sus productos.

6.1 Impresora Spectrum Z510

Es una impresora tridimensional de la Cía. ZCorporation con la capacidad de generar objetos enAlta Definición y a todo color, comunica informaciónimportante sobre los modelos, incluyendo datos deingeniería, análisis de densidad, etiquetado, remarca-do y simulación de la apariencia definitiva. El sistemaes rápido y fácil de operar.

CARACTERISTICAS

Volumen de impresión 254x356x203 mmColor RGBVelocidad 2 capas por minutoAncho de capa .089-.203 mmCabeza de impresión 4Dimensión del equipo 107x79x127Peso del equipo 204 kgRequerimientos de energía 100 V, 708 ampsSoftware Zprint software

Los materiales utilizados para obtener una impresión3D son: Powder, Binder e Infiltrantes.

7.1. Powders

Los powder son un polvo obtenido de la mezcla desulfato de calcio y polímeros que se aplica por unmecanismo de roller.Espesor: 0.003” a 0.007 “ (.076-.254 mm)

TIPOS DE POWDER Y SUS CARACTERÍSTICAS

Starch. Material rígido de baja definición. Este material es de muy rápida elaboración, laspiezas pueden ser utilizadas para la mayoría de lasaplicaciones de prototipos rápidos, análisis y pruebasde diseño, modelos médicos, etc. Por otro lado estematerial puede procesarse de tal forma que sequeme a alta temperatura, lo cual permite realizarmoldes para fundir metales, de forma análoga a losprocesos de cera perdida.

Plaster. Material rígido de alta definición. Este material tiene una mayor definición, se utilizacuando es necesario un mejor nivel de detalle,además de que genera modelos de mayor resisten-cia. Al igual que el material de baja definición cubreprácticamente todas de las aplicaciones de prototiposrápidos, si lo que necesita es un modelo para análisisde diseño, para realizar pruebas de montaje o depieza final y requiere de un buen nivel de detalle, estees el material mas adecuado.

Z Max. Material rígido de alta resistencia.Este Material presenta una mayor resistencia que elmaterial de prototipos convencional, logrando alcan-zar hasta 50 Megapascales de resistencia.

6. Equipo Utilizado 7. Materiales

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GGlosario

1. Algoritmo: Procedimiento o fórmu-la para solucionar algún problemamatemático. Los algoritmos se usannormalmente para cosas como gene-rar texturas, en la renderización deimágenes o en el control matemáticode comportamientos. (Deformacionesen los objetos por esfuerzos, cambiosde temperatura; simulación de llenadode moldes, etc.)2. Análogos: Similares, parecidos,semejantes.3. Artesanales: Procesos u objetoshechos a mano con maestría.4. Binder: Nombre genérico del liqui-do con que se aglutina un polvo.5. Booleanos: Objetos que resultande las operaciones de unión, sustrac-ción e intersección entre dos o másobjetos modelados en CAD.6. Bosquejos: Dibujos rápidos queesbozan una idea.7. B-spline: Abreviatura de spline bási-ca. Algunas B-splines son: curva cúbicaB-spline, curva cúbica Bezier, curvaspline cúbica cardinal, NURBS, etc.8. Cianocrilato: Sustancia con quese infiltra y endurece una superficie.9. Conceptual: Relativo al concepto.10. Curados: materiales totalmentesolidificados.11. Densidad: Relación entre la masay el volumen de un cuerpo, a mayordensidad mayor peso.12. Deposición: Proceso que con-siste en depositar gotas de materialfundido, una sobre otra hasta confor-mar un objeto.13. Elastómero: Sustancia sintéticaparecida al hule, tiene gran plasticidad.14. Escala: Proporción adoptada pararepresentar en dibujos o en maquetasa los objetos.15. Epóxico: Resina sintética, dura yresistente a las cargas.16. Ergonómico: Que se adapta a lasformas y dimensiones del ser huma-no, considerando la función que de-sempeña el objeto.17. Estereolitografía: Proceso queconsiste en solidificar una resinalíquida utilizando una luz ultravioletaproveniente de un rayo láser de bajopoder.

18. Extrusión: Proceso que consisteen hacer pasar material plastificado altravés de un dado, obteniendo hilos,tubos y varillas.19. Facetas: Caras o lados de un cuer-po geométrico.20. Filamento: Hilo delgado de longi-tud indefinida.21. Flexibles: Materiales que puedendeformarse con cierta facilidad paradespués recuperar su forma original.22. Foto sensitivos: Sensibles a la luz.23. Hidrocelulosa: Material baseagua que se usa para aglutinarpolvos.24. Infiltrantes: Líquidos para pene-trar y endurecer las superficies de losobjetos.25. Infiltrarse: Penetrar la superficie.26. Luz Ultravioleta: Radiación delespectro luminoso, invisible al ojohumano.27. Metodología: Estudio de los pro-cesos o secuencia de pasos que sesiguen para alcanzar un objetivo. 28. Nylon: Material sintético de índolenitrogenada, muy resistente al des-gaste, autolubricante.29. Parametrización: Asignación deparámetros. Proceso para definir losdatos suficientes y necesarios que serequieren para obtener los límites ycondiciones de acción.30. Polimerización: Acto de uniónmolecular inducida con calor o catali-zadores.31. Polímeros: Unión de muchasmoléculas, también denominadasplásticos.32. Poliuretano: Material plástico quepuede ser sólido o espumoso, flexibleo rígido.33. Post-proceso: Operaciones efec-tuadas después de un proceso.34. Powder: Nombre genérico de lospolvos que se usan en el proceso deimpresión tridimensional.35. Proporciones: Relaciones o co-rrespondencias armónicas entre lasdistintas partes de un todo. 36. Prototipado: Proceso de gene-ración de un prototipo.

37. Prototipos: Pieza original de laque derivan los demás ejemplares.38. Proyecto: Idea planificada.39. Renders: Imagen 2D generadapor un software CAD, CAM ó CAE.Dependiendo de su utilización poste-rior, pueden ó no ser fotorrealistas.40. Resinas: Materiales líquidosobtenidos de gases provenientes delpetróleo primordialmente. 41. Resina epóxica: Material termo-plástico cuya característica principales su dureza superficial.42. Silicón: Material plástico flexible,de la familia de los elastómeros, seusa para fabricar moldes.43. Sinterizado: Proceso que con-siste en fundir polvo mediante calorproveniente de un rayo láser44. Soldado: Unión entre los vérticesde 2 superficies para generar unasola.45. Sólido: Macizo, duro, compacto,consistente.46. Spline: Un tipo de curva que seinterpola entre 2 puntos finales y dosó mas vectores tangentes. El términodata de 1756 y se deriva de una tiradelgada de madera o metal utilizadapara dibujar curvas en arquitectura yel diseño de barcos.47. Superficies: Límites del cuerpogeométrico.48. Textura: Calidad de la superficie.49. Tolerancias: Diferencias permisi-bles entre las dimensiones propues-tas en el diseño de un objeto y aque-llas producidas por excesos ó defec-tos en la fabricación del mismo.50. Vacio: Espacio con presión menora la atmosférica.51. Zcast: Nombre técnico del pow-der que se usa para fundición.52. Zmax: Nombre técnico del pow-der que se usa en aplicaciones querequieren alta resistencia mecanica ytérmica.53. Zsnap: Nombre técnico del pow-der que se usa en aplicaciones querequieren flexibilidad.

8. Consideraciones para obtener el costo de un Prototipo Rápido

Volumende Producción

Propuestas

Bocetos

Materiales

Normas

MercadoErgonomía

Competidores

Análogos

Procesos

Acabados

Costo deimpresión 3D

Volumende Materia

CorrecciónMagics

RevisiónZPrint

Exportación .stl

Sólido 3D

Espesores

Renders

Detalles

Planos

Dimensiones

Simuladores

Materiales

Procesos de Fabricación

BPStrategia y DiseñoAv. Toluca 442-4BOlivar de los PadresMéxico, D.F. C.P. 01780www.strategiaydiseño.com.mx

AT GroupProvidencia No. 801-5Col. del ValleMéxico, D.F. C.P. 03100www.atgroup.com.ve

Hi-TecAntonio M. Rivera No. 10Centro Industrial Tlalnepantla,Estado de México C.P. 54030www.hitec.com.mx

Estereolitografía de MéxicoPatricio Sánz No. 1258-bisCol. del ValleMéxico, D.F. C.P. 03100www.estereolitografiademexico.com

Fuentes Electrónicas

• www.caddyspain.com• www.protorapid.com• www.zcorp.com

• Documento electrónico:ZPrint Software. Manual de Usuario

Proveedores Bibliografía

Manual de trabajo. Impresión TridimensionalTerminó de imprimirse en la Ciudad de México durante el mes deMayo de 2008, se imprimieron en offset 300 ejemplares, sobrepapel couché mate de 135gr. y 250 gr. para interiores y cubiertarespectivamente.