Ante el gran auge que está teniendo la construcción de impresoras 3D, y que tarde o temprano los alumnos de Formación Profesional de Electrónica verán, voy a dejar aquí unas pequeñas notas del proceso de montaje de las mismas. Serían el equivalente a una máquina de control numérico (conocidas como CNC) de muy bajo coste.

Dado que se ha extendido su uso para todo tipo de finalidades, desde ingeniería, pasando por medicina, prototipos, etc., es interesante conocer su uso.

Se pueden usar para por ejemplo:

• Realización de prótesis ortopédicas (piernas, brazos, articulaciones, etc.) a muy bajo coste y en muy poco tiempo: un brazo ortopédico se puede "imprimir" en un par de días por 2-3 euros de coste del plástico de impresión.
• Realización de órganos humanos a escala, para que los médicos/cirujanos puedan realizar un diseño 3D del órgano a operar y ver por dónde y cómo realizar mejor la operación.
• Para la realización de prototipos de ingeniería, mecánica, automoción que, normalmente tienen elevado coste y que se pueden hacer por muy poco dinero y tiempo: un puente, un avión, etc. pueden necesitar 3-6 horas de tiempo para su realización.

Muchas empresas están incorporándolas en sus laboratorios, dado que con un coste reducido (unos 400 euros en material si la ensambla uno mismo), permite fabricar prototipos en 3D en poco tiempo y con una calidad aceptable.

Es una buena oportunidad de trabajo para los técnicos que conozcan el funcionamiento de una impresora 3D: podrían realizar las tareas de mantenimiento que las impresoras 3D requieren en cualquier empresa que lo solicite.

Las impresoras 3D se basan en añadir una tercera dimensión a las figuras, que antes se hacían en dos dimensiones en papel, pero añadiéndolas un eje Z (la altura de la pieza que se va a imprimir). Durante muchos años estuvieron reservadas a grandes corporaciones, pero gracias a reprap y a personas que colaboraron en el desarrollo de software y hardware libre, ha permitido la actual difusión de las impresoras 3D. Parte de la documentación que ahí se encuentra está en español, pero mayoritariamente en inglés.

Aquí se puede encontrar todo lo necesario para ensamblar una impresora 3D sin problemas de patentes de ningún tipo.

Vamos a encontrarnos con impresoras 3D de bajo coste, para trabajar con cables PLA, ABS, nylon, madera, flexiflex, fibra de carbono, fosforescente, etc., y que permiten diseños de hasta 20 x 20 x 20 cms, aunque si queremos ampliarla, solo es cuestión de dinero.

Hay impresoras más grandes y costosas que pueden llegar hasta varios miles de euros; estas son las impresoras que se utilizan en la industria, pero el principio de funcionamiento es similar.

Voy a tratar de resumir en este espacio, por medio de unas simples fotografías, que omiten muchos detalles del montaje, un proceso que lleva bastantes horas de trabajo; basta con ir siguiendo la multitud de vídeos que hay en muchas páginas web, para ver que el proceso de montaje y calibración de los diferentes módulos de montaje puede ser complejo y a veces provocar accidentes eléctricos serios si no eres cuidadoso.

Yo he optado por una impresora de fácil montaje, la impresora Prusa i3 Steel, muy resistente a los movimientos del extrusor y que mejoran la estabilidad de la impresora, a costa de aumentar el peso.

Está realizado el chasis en acero que hay que pintar para evitar oxidaciones y por medio de tornillos y tuercas se fija fácilmente y una vez apretado salvo errores, no hay quien lo desmonte.

Las fotografías que se incluyen aquí, corresponden al proceso de ensamblaje de mi impresora 3D; he añadido algunos cambios en el apartado de la fuente de alimentación para no perder la garantía de la misma si la abrimos y que veréis que son sencillos de realizar.

Si quieres ver el montaje detallado puedes seguirlo aquí y si no te termina de convencer, mira en la página de kitprinter3d, que tiene un blog con los pasos a seguir, en perfecto castellano.

Para llevar a cabo el proceso de montaje, os van a hacer falta una serie de herramientas y a continuación os detallo las más importantes:

• Juego de destornilladores planos.
• Juego de destornilladores de estrella.
• Juego de llaves Allen para apretar tornillos.
• Pinzas finas para sujetar piezas/tuercas.
• Calibre de precisión de 15/20 cms para ajustar guías de acero.
• Martillo con cabeza de plástico para encajar chasis metálico.
• Alicates de punta fina para tensar.
• Alicates de corte para cortar abrazaderas.
• Alicate de pico de loro para apoyos auxiliares.
• Tijeras de electricista.
• Multímetro para medir ohmios y voltios de continua para comprobar cableados.
• Soldador y estaño para soldar cables y terminales.
• Cinta aislante y macarrón termorretráctil de 10 mm de diámetro.
• Abrazaderas finas y gruesas para fijar las piezas.
• Espátula para limpiar la cama caliente.

Es posible que se me olvide algún útil o accesorio, pero seguro que si os surge algún imprevisto, podéis solucionarlo con estas herramientas. Sí os recomiendo disponer de juegos de tornillos de métrica 2.5 y 3 mm de distintas longitudes para modificaciones sobre la marcha que se os irán ocurriendo, como a mí. 

También recomiendo, si pensáis mover la impresora alguna vez de sitio, preparar una plataforma de metacrilato de 6 mm de espesor y 500 x 500 mm de lado, como base para la impresora, como aparece en la fotografía con la impresora ya terminada y el soporte de la bobina de cable PLA. Podéis modificar un poco las dimensiones si queréis añadirle asas para el transporte.

En el caso del modelo Prusa i3 Steel, conviene limar con una lima o lija fina el chasis de acero antes de pintar y empezar a ensamblar las varillas, los motores, módulos de control, cables, etc. una vez seca la pintura. Nos garantizaremos así una mayor protección contra la oxidación y que las rebabas del acero nos produzcan cortes al montar las distintas piezas.

Cuando se recibe el kit del armazón de la impresora, hay que proceder de manera concienzuda a su montaje, apretando fuertemente todas las tuercas que se suministran para esta función. Una vez montado solo el chasis, os quedará como aparece en la siguiente fotografía de mi impresora y se puede observar que el módulo de control de impresión, que va a la derecha de la impresora no está aún montado, pero sí el extrusor del filamento.

Cuando hay que proceder a montar el módulo de control, es conveniente protegerlo para evitar que se estropee cuando algún elemento metálico golpee o se acerque a la circuitería. En un primer momento yo  utilicé una caja de las que vienen con chocolatinas y sujeto con cintillos para evitar problemas, como se ve en el detalle de la fotografía:

Como no me gustaba el resultado y disponía de una caja de control hermética de un mando de garaje, opté por sustituir esta caja por otra de mejor calidad, sobre la que añadí el correspondiente soporte de metacrilato agujereado en el que coloqué un ventilador posteriormente, como se ve en otras fotografías posteriores.

En un primer momento coloqué la tapa hermética que venía con la caja, para luego sustituir dicha tapa por otra que me permitiera incorporar un ventilador de refrigeración.

Como se ve en la fotografía, la caja es hermética y protege totalmente la tarjeta de control SAV-MKI, pero por contra carece de refrigeración para los pololus de control de los motores: los componentes electrónicos se calentarían y terminarían quemándose rápidamente. 

La solución:

Una tapa perforada con un ventilador que se active cuando se ponga en marcha la cama caliente. En primer lugar, colocamos la SAV-MKI y luego el metacrilato perforado con el ventilador.

 

Aquí tenéis la fotografía con el esqueleto montado, los soportes para montar el extrusor de la impresora ya fijados, una vez que ya la he cambiado a otro lugar más luminoso:

Una vez fijado todo el conjunto de piezas de acero, varillas lisas y roscadas, soportes de plástico para diferentes piezas y motores paso a paso, se van fijando más piezas.  Empecemos montando el extrusor con cuidado de no romper las piezas plásticas:

Preparación de la fuente de alimentación

Una vez preparada toda la parte mecánica, empieza el montaje del resto de elementos de la impresora Prusa i3 Steel. Empezaremos por la fuente de alimentación, que podemos, al menos al principio reutilizar una fuente de alimentación de ordenador que tenga una salida de +12V/20A mínimo, para que suministre suficiente corriente para la "cama caliente" y para calentar el extrusor.

Con estos 20A de corriente, garantizamos que no nos va a dar problemas la fuente de alimentación por sobrecalentamiento.

En la fuente de alimentación que aparece en la fotografía, agrupé todos los cables de 12 V_dc y los de masa sobre unas clemas de conexión: de ahí salen los dos cables de alimentación que utiliza la impresora y que controlo por medio de dos interruptores. Los cables de +12 V_dc y los de masa, deben de tener todos igual longitud al cortarlos, para que la ddp entre ellos sea menor de 0,1 V.

Posteriormente reduje el tamaño de las clemas de conexión a la mínima expresión en otra fuente de ordenador de más potencia, como se ve más adelante.

En vuestro caso y para no estropear la fuente de alimentación del ordenador, he preparado un mazo de cables que conecto a los terminales de salida de la fuente de alimentación, que son los que aparecen en la fotografía, justamente antes de proceder a cortarlos y unirlos todos por medio de una clema de conexión.

Estos cables están sacados de viejos ordenadores y son un cable prolongador para ventiladores, discos duros, etc., y no se utilizan. Al unir todos los cables con salida a 12 V_dc, cada uno de ellos con una corriente de salida de 4-5 Amperios, lo que hago es poner en paralelo todos los cables; aumento así la corriente de salida a unos 16-20 Amperios, como hice en el otro ejemplo de cableado de la fuente de alimentación.

Una vez cortados estos cables de forma que me quede solo el conector macho, vamos a quitar el cable rojo y uno de los cables negros para dejar únicamente el cableado de 12 V_dc, los cables se cortan todos de igual longitud. Quedarían los cables como aparecen en la fotografía:

A continuación, una vez cortados los cables, por medio de una clema de conexión unimos los cables negros entre sí y los amarillos entre sí. Quedaría así:

A partir de ahora, el extremo de las clemas de conexión se utilizará para alimentar la impresora Prusa i3 Steel y los conectores de PC que nos quedan, los uniremos a las salidas de una fuente de alimentación de PC sin modificar, con lo que no perderíamos la garantía de la misma, si utilizáramos una fuente de alimentación recién comprada, como se aprecia en la siguiente fotografía:

Este "adaptador" me permitirá sustituir la fuente de alimentación modificada por otra normal, simplemente conectando estos conectores en las salidas de la fuente de alimentación, cada vez que se me estropee la fuente antigua. 

Ahora lo único que me queda es "arrancar" la fuente de alimentación del PC sin modificar para que me suministre la tensión de 12 V que necesito. Para ello, en el conector de 20/24 pines que se suele conectar a la placa base, preparo dos cables que inserto, uno de ellos en el conector que tiene el hilo verde y en uno de los conectores que tiene un hilo negro, colocando en el otro extremo un interruptor, como en la fotografía:

A continuación, con la fuente ya cableada y una vez montado el extrusor sobre su soporte,  procederemos a colocar la plataforma calefactante, donde se depositará el filamento que sale del extrusor y nos permitirá formar las piezas 3D. Esta pieza se conoce como cama caliente (heatbed) y sirve para que la pieza que se está fabricando no se agriete al depositarse el filamento encima, si la temperatura de la plataforma está fría.

Así, si trabajamos con plástico PLA se calentará a unos 60º y con plástico ABS a 100º aproximadamente, depende del tipo de plástico.

Montaje del módulo de control de la impresora 3D

Una vez que ya se ha montado la cama caliente, se debe de conectar la tarjeta o placa de control de la impresora 3D. Hay varios modelos, unas se basan en Arduino Mega + módulo de potencia para controlar los motores paso a paso, otras utilizan otros modelos de tarjeta que llevan también una "tarjeta hija", pero en mi caso, he elegido la tarjeta de control SAV-MKI; podéis ver vídeos de esta tarjeta de Francisco Malpartida que lleva todo el control de motores en un solo módulo. Además, para protegerlo de averías si lo instalaba sin más en un lateral de la impresora, le añadí una caja de plástico, un ventilador de refrigeración y la tapa de protección, como se ve en la figura:

Ya tenemos casi todo montado. Nos queda ir cableando los motores a la placa de control, lo cual se puede ver ya en la placa de la fotografía anterior, pero queda otra parte importante de montar, un interruptor de encendido para la fuente de alimentación y de ahí cablear a la placa de control, extrusor y cama calefactora los 12 V_dc.

Personalmente, yo he añadido un interrumptor que hace las veces de pulsador para la fuente de alimentación de ordenador (cableando sobre él el hilo verde y el hilo negro del conector de 20 pines de la fuente de ordenador); después de éste, una vez que ya tengo los 12 V_dc, he puesto un interrumptor doble, procedente de un ordenador antiguo, para cortar los 12 V cuando lo considere necesario, sin apagar la fuente de alimentación ya que los bloqueos o mal funcionamiento de las impresoras 3D son al principio, frecuentes. 

Fijaros en los cables de la fotografía y veréis que la fuente no la he desmontado en absoluto, como desgraciadamente hacen en muchos de los videos/tutoriales que os podéis encontrar por Internet.

El cableado lo he hecho en metacrilato que era el material del que disponía en ese momento y además es más visible para la fotografía:

Una vez conectada la fuente y "otros cablecitos", ya tendremos la impresora acabada, y tendrá una apariencia similar a la de la fotografía que incluyo aquí y que tiene una base de metacrilato de 6 mm de espesor debajo y con el soporte doble para el cable PLA incluido detrás de la impresora:

               

Impresora Prusa i3 Steel terminada (CC BY-NC)

Bueno, y así es como queda la impresora una vez acabada, con una base-soporte de metacrilato de 6 mm de espesor para mover la impresora sin que se deforme, ahora queda colocarla en un escritorio en condiciones y recordar algo importante: no colocar la impresora en lugares accesibles para los niños pequeños por la peligrosidad de los materiales utilizados y por la electricidad y que además, no haya corrientes de aire: cuando estamos imprimiendo las corrientes de aire pueden deformar las piezas o separar los filamentos de impresión y tener que empezar desde cero.

 

Procedimiento de ajuste de la impresora 3D

Para el ajuste fino del extrusor, queda por hacer algún que otro ajuste; uno de ellos consiste en nivelar la superficie de la cama caliente para que cuando el extrusor se deslice sobre ella, lo haga igual sobre toda la superficie. Para ello haremos uso de un nivel de burbuja o similar que nos permitirá ver si están a la misma altura; si no fuera así, con los tornillos que fijan la cama caliente ajustaríamos esa nivelación en el eje Y y si giramos el nivel 90º, nivelaríamos el eje X:

Este proceso se debe de realizar igualmente sobre las barras de acero donde va soportado el extrusor. Deben de estar horizontales las dos; si no es así, de forma manual se girará/n la/s varillas roscadas que correspondan hasta que quede nivelado. A veces hay que interactuar simultáneamente sobre la cama caliente y sobre las varillas horizontales para nivelar perfectamente.

Una vez todos los ajustes de nivelación están realizados, queda instalar el software que controla la impresora 3D en el ordenador (preferiblemente un portátil con Windows XP o Windows 7) y procederemos a realizar las calibraciones de los ejes X, Y y Z. El software que normalmente se utiliza es casi todo de libre distribución, como Printun, Replicatorg, reprap host original, etc.   Estos programas permiten imprimir un objeto 3D previamente generado con otros programas.

La primera comprobación que haremos será realizar una prueba para ver si el extrusor funciona correctamente, haciendo la primera impresión 3D con un filamento. Para ello en mi caso, he utilizado el programa Printun cargado en mi portátil, junto con los drivers que me recomienda Francisco Malpartida en su página web (yo utilizo la tarjeta de control SAV-MKI), he encendido a continuación la impresora y he conectado el cable microUSB-USB entre la impresora 3D y un puerto USB de mi ordenador portátil. Al detectar el puerto correcto, ya tengo conectado ambos equipos.

A partir del momento en el que nuestra impresora empieza a imprimir un filamento, nos queda calibrar los 3 ejes por medio de figuras de calibración que están disponibles en muchas páginas web.

Suele ser un cubo en 3D de 2 cm x 2 cm y hueco, que nos va a permitir ajustar el número de vueltas de cada motor ajustando su configuración, conforme vayamos realizando pruebas-errores. Hay muchos vídeos que explican paso a paso este proceso de ajustes, basta seguirlos para realizarlo, al igual que el resto de ajustes necesarios.

Si queréis una base de imágenes completo, sin duda, la más completa que conozco es thingiverse; aquí podréis encontrar todo tipo de icono/maquetas/figuras en 3D con sus correspondientes ficheros en formato "stl" (estereolitografía).

Una vez realizada la primera impresión y los primeros ajustes, el límite lo pone nuestra cabeza y las características y accesorios que instalemos en nuestra impresora. Mi impresora 3D, una vez montada me ha quedado así, antes de colocar el soporte trasero para colgar la bobina de cable PLA azul que utilizo.

 

Una vez que la impresora ha quedado acabada y he instalado el software de control Printum en el ordenador portátil, procedo a realizar las primeras impresiones de prueba para calibrar los ejes de la impresora. Hay un cuadrado hueco de 2 cms * 2 cms que, tras sucesivos intentos me permitieron calibrar el número de pasos a ajustar en los ejes X e Y. Aquí están algunas de las impresiones de prueba realizadas:

Se puede ver como poco a poco, el aspecto tosco de algunas de las impresiones 3D realizadas se va afinando, conforme se ajustan los pasos de los ejes X, Y y Z, obteniéndose las medidas de 2 * 2 cms tal cual eran las dimensiones de la pieza de calibración. Este proceso de ajuste se puede ver en diferentes vídeos a través de Internet.

Cuando ya parece que queda todo afinado (ejes X, Y y Z calibrados), ya podemos imprimir con la garantía de obtener medidas precisas en las piezas que se impriman. 

Así, una de las primeras pruebas de impresión que hice fue imprimir la rueda principal del extrusor.

Otra pieza que también se puede imprimir sin demasiados problemas, es el bloque del extrusor casi idéntico al de mi impresora original, cuyas piezas, una vez montadas tienen el aspecto de la figura:

Otros tipos de extrusor están también disponibles en Internet, aquí os dejo uno que realicé, con "extrusión directa" y un motor sacado de una impresora.

Otras piezas que también he realizado con la impresora 3D son el conjunto del eje X, formado por varias piezas imprimibles, una correa dentada y las poleas correspondientes. El montaje queda como aparece en la fotografía:

Nos quedan, entre otras por imprimir, las piezas que constituyen el soporte de los motores del eje Z, que es el eje vertical de la impresora. Se trata de 2 piezas casi idénticas, como aparecen en la fotografía:

Cuando disponga de más tiempo libre, incluiré algunos ajustes adicionales que se pueden realizar y algunas mejoras, así como los conocimientos que adquiera revisando los vídeos que circulan por Internet sobre las impresoras 3D.

Una mejora que se ha añadido a las impresoras 3D como la Prusa i3, es comprobar que la "cama caliente", no es necesario que esté precisamente caliente, al menos imprimiendo con PLA y algún otro tipo de filamentos. Esto reduce de manera ostensible el consumo de energía eléctrica y el volumen de la fuente de alimentación de 12 Vdc a utilizar.

Ficheros adicionales

• Primeras pruebas de calibración
• Primeras piezas del eje X clonadas en mi impresora
• Duplicado del extrusor de mi impresora
• Duplicado del eje Z de impresora prusa i3 Steel
• Motor paso a paso para impresoras 3D
• Placa de control de impresora Prusa i3 Steel, modelo SAV-MKI
• Conector de la fuente de alimentación para impresora Prusa i3 Steel
• Led´s de funcionamiento de impresora 3d
• Extrusor directo impresora 3D