FICHA DE INFORMACION DE PROYECTO

Nº PROYECTO: 76101
NOMBRE DEL PROYECTO: Sistema móvil para la impresión 3d en arena
REGIÓN: Metropolitana
CONCURSO: Fondart Nacional Investigación
RESPONSABLE PROYECTO: Tomás Vivanco Larrain
DIRECCIÓN: Carlos Aguirre Luco 1093, depto. D. Ñuñoa
TELÉFONO: +56 9 98424244
MAIL: tomasvivanco@gmail.com
MONTO SOLICITADO: $ 20.910.197
MONTO ASIGNADO: $ 19.864.687

EQUIPO DE EJECUCIÓN:

Tomás Vivanco Larrain
Andrés Briceño (Fab Lab Santiago)
Felipe Barrientos (Estudiante de Diseño Industrial, Universidad Católica de Chile)
Joaquin Rosas (Fab Lab Santiago)
Esteban Serrano (Fab Lab Santiago)
Laura Palazuelos (Diseñadora Industrial, Universidad Católica de Chile)
Diego Gajardo (Estudiante de Diseño Industrial, Universidad Católica de Chile)
Sebastian Greelin (Fab Lab Santiago)
Walter Bishop (Fab Lab Santiago)

PERÍODO DE EJECUCIÓN:

Marzo a diciembre del 2015

BREVE DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO EJECUTADO:

Por medio de la investigación aplicada, se generó un sistema de diseño y fabricación de objetos tridimensionales con arena, material de origen orgánico, que produce 0 emisiones de carbono y que se extiende por todo el país. De este modo, se transformó estos suelos no productivos, en material de producción de objetos.

Esta máquina, es móvil, pudiendo ser transportada a distintas ubicaciones , y a su vez, desarrollada en código abierto, esto significa que cualquier persona podrá descargar los planos y archivos para fabricar sus propias máquinas desde el sitio web www.sandbot.cl.

 

ORIENTACIÓN, DIFUSIÓN Y ALCANCE:

  • 11th International Fab Lab Conference. M.I.T., Boston, USA. Investigadores, académicos, estudiantes, directores de Fab Labs. 1.000 personas.
  • Tercer Coloquio de Fabricación Digital PUCV. Centro Cultural Cárcel, Valparaíso, Chile. Académicos, estudiantes y emprendedores, 80 personas.
  • Festival Internacional de Innovación Social (Fiis). Parque Bicentenario, Vitacura, Santiago. Estudiantes y profesionales de diversos perfiles. 1.000 personas.
  • Día del emprendimiento Ilustre Municipalidad de Las Condes. Las Condes, Santiago. Emprendedores e inventores, 80 personas.
  • Jornada de Investigación Diseño UC. Académicos y estudiantes de la Escuela de Diseño de la Pontifica Universidad Católica de Chile. 150 personas.

 

MOTIVACIÓN Y RESULTADO:

Las tecnologías de fabricación digital, específicamente la impresión de objetos 3D, han tenido una fuerte repercusión en la sociedad, debido a la liberación de una seria de patentes de maquinas diseñadas en los años 80. El proyecto considera dos problemáticas a las que se busca ofrecer una respuesta desde el ámbito del diseño:

La crisis energética no es de índole energético, sino material, pues al no existir materiales inteligentes de disponibilidad masiva se utilizan mayoritariamente aquellos que demandan un alto consumo energético y Ho2.

En chile el 50% del suelo es apto para la producción, y tan solo el 1% no tiene limitaciones. Si bien los avances tecnológicos permiten aumentar este porcentaje, la abundancia de suelos de categorías Andisoles, Aridisoles, Entisoles y Alfisoles, que se encuentran en zonas de clima árido demandan nuevas maneras de producción.

En primera instancia, se investiga la arena como potencial material para la fabricación de objetos, evaluando sus propiedades mecánicas, estructurales y de organización geométrica. En una segunda parte, se desarrollara un sistema móvil automatizado (robot) en código abierto, que sea capaz de producir estos objetos, y que sea fácilmente transportable. Al ser desarrollado en código abierto, cualquier persona podrá descargar los planos y archivos para fabricar sus propias maquinas desde una pagina web especialmente desarrollada para la investigación, la cual registrara entre otras cosas, todo el proceso técnico, de investigación y producción.

 

El sistema

BASE DE LA MAQUINA

Para la fabricación de la máquina se utilizó como base una router CNC ShapeOko 2, que cuenta con 3 ejes de movimiento (x,y,z) y una fresa para madera.

EXTRUSOR MECÁNICO

Se diseñó un extrusor mecánico que remplazara la fresa para madera y que sirviera para inyectar aglomerante en un medio granular  (en este caso se utilizó resina de poliéster inyectado en arena fina).

PIEZAS ESPECIALES 3D

Para la construcción de las piezas es necesario tener acceso a una impresora 3D que imprima las piezas del extrusor diseñado. Se necesita una serie de 8 archivos .stl con todo lo necesario para imprimir las piezas. En  este caso se utilizó plástico ABS y las impresoras 3D, Makerbot Replicator 2 y Printerbot.

OTRAS PIEZAS

Para el ensamblaje del extrusor además de las piezas especiales se necesitan los siguientes materiales:

  • 4 pernos / Diámetro 5mm, Largo 30mm como mínimo
  • 4 tuercas hexagonales para pernos de 5mm/ Ancho 8mm, Diámetro interno 5mm
  • 2 rodamientos / Diámetro externo 22mm, Diámetro interno 10mm
  • 1 hilo metálico / Diámetro 9mm, Largo 260mm
  • 1 tuerca hexagonal para el hilo de 9mm / Ancho 14mm, Diámetro interno 9mm
  • 3 golillas de caucho o goma / Diámetro externo 22mm, Diámetro interno 14mm
  • Jernigas de alimentación de 60ml / Diámetro externo 29mm
  • Tubos plástico o metálico / Diámetro externo 6mm, Diámetro interno 5mm

 

COMPONENTES ELECTRÓNICOS

La gran parte de los componenetes electrónicos de la máquina vienen con la ShapeOko 2, las instrucciones de armado estan en el primer link de la Base de la máquina. Además de esto se deben comprar los siguientes componentes para el extrusor mecánico:

  • 1 Stepper Motor / Nema 17
  • 1 Driver para motor paso a paso / A4988
  • 5 Sensores de detención
  • Cables de electrónica

ENSAMBLE DEL EXTRUSOR:

Hilo/ Diámetro 9mm, Largo 260mm

Stepper motor / Nema17

Engranaje motor / Pieza especial 3D

Adaptador Jeringa / Pieza especial 3D

Cuerpo extrusor / Pieza especial 3D

Tuerca / Ancho 8mm, Diámetro interno 5mm

Apretador / Pieza especial 3D

Tornillo / Ancho 8mm, Diámetro interno 5mm

Perno / Diámetro 5mm, Largo 30mm

Eje Z / Pieza especial 3D

Jeringa 60ml / Diámetro externo 29mm

Adaptador azul / Incluido en la jeringa

Tubo plástico o metálico / Diámetro externo 6mm, Diámetro interno 5mm

Adaptador extrusor / Pieza especial 3D

Rodamiento / Diámetro externo 22mm, Diámetro interno 10mm

Golilla de caucho o goma / Diámetro externo 22mm, Diámetro interno 14mm

Engranaje / Pieza especial 3D

Tuerca / Ancho 14mm, Diámetro interno 9mm

 

SOFTWARE

Arduino: Se modificó el programa “marlin” (de codigo abierto) usado para controlar impresoras 3D, para hacer funcionar los 3 ejes sumado a un cuarto motor utilizado como mecanismo de extrución.

Repetier: Este programa hace de interfaz entre Arduino y la máquina. Hace posible la ejecución del codigo-G generado en Grasshopper.

Grasshopper / Rhinoceros: Este plug-in de Rhinoceros 3D, nos permitió parametrizar las variables estudiadas, tales como altura de impresión, posición de “pixeles de arena”, cantidad de extrusión de resina, etc. Se diseño una definición para poder obtener el código-G de cada forma. Este código permite generar un lenguaje de coordenadas que muestra el recorrido necesario para la fabricación de formas a través del sistema constructivo utilizado. Es en este programa en donde se diseñan las formas que luego son traducidas a volúmenes tridimensionales de arena.

 

ESTUDIO DEL MATERIAL 

Esta etapa consistió en la búsqueda de un “pixel de arena”, el cual seria el punto de partida de la construcción de formas más complejas. El proceso para lograrlo fue primero entender los materiales con los cuales trabajamos.

Arena fina: El material granular utilizado en las primeras pruebas de los prototipos, fueron arena gruesa mezclada con grava fina. Luego de resultado de las formas decidimos cambiar el grano a una arena fina de 0,05mm – 0,2mm.

Resina de Poliester, acelerante y catalizador: Se hicieron pruebas de catalización de la resina mezclando distintas cantidades de acelerante y catalizador en 100ml de resina, para luego medir el tiempo de endurecimiento. Se llegó a una mezcla de 10 minutos con la siguiente fórmula.

 

PROCESO DE IMPRESIÓN

Búsqueda del “pixel de arena”: Luego de investigar los materiales utilizados, se buscó entender la relación que había entre la cantidad de aglomerante (ml) por altura de pixel (cm) que luego seria traducida al grosor de pixel (cm), por el fenómeno de capilaridad que presentan los materiales granulares. Se imprimieron una serie de pixeles para luego definir cual es la relación más adecuada para la formación de figuras complejas. También se buscó la relación que existe entre los giros o pasos del motor y la cantidad de material extruido:

Relación:  1cm altura = 0,5ml resina = 8,5 pasos del motor = pixel de 1,3cm de ancho

Distancia entre pixeles: Luego de entender la relación de estas variables y haber definido un pixel tipo, se busco a través del testeo la distancia optima entre pixeles. Esta distancia debiese unir los pixeles y por otro lados ser resistente.

Distancia:  0,9cm de traslape por pixel

Formas complejas: Definida la formula, se utilizaron las variables obtenidas para diseñar objetos en Grasshopper y luego ser traducidos en un objeto tridimensional de mayor complejidad.

 

TESTEO

IMPRESIÓN EN AMBIENTE CONTROLADO

Para el testeo y primeras pruebas se imprimió bajo techo en un acuario de 48cm largo x 58cm ancho x 30 cm alto. De tal modo que las condiciones estuviesen lo más controladas posible y así obtener información real bajo las condiciones del ambiente. La arena utilizadas para las impresiones de testeo en ambiente controlada, fue una arena fina de 0,05mm – 0,2mm.

IMPRESIÓN EN TERRENO

Para testear la máquina en contexto real, se realizó un viaje de investigación a San Pedro de Atacama, Chile, en donde se pudo estudiar el comportamiento de los materiales en un ambiente no controlado. Las variables tales como, temperatura ambiente, de arena y granulometría cambiaron, lo que significó un desajuste en el control de los prototipos.

Para la cama de impresión en terreno se buscó un lugar en donde la máquina pudiese inyectar la resina, es decir libre de rocas y suelos duros. Luego de esto se escarbo un orificio de 40cm x 50cm de superficie y 30cm de profundidad, para luego ser llenado con la arena del lugar.

Se pudo observar que a menor granulometría es mayor la capacidad de absorción y por ende mayor su capilaridad. Lo que se vio afectado en el grosor del “pixel de arena”. En el terreno de investigación los granos eran una mezcla de arena fina con limo. El limo es una categoría intermedia entre la arcilla y la arena fina, este tiene una medida entre 0,005mm – 0,02mm, lo que afectó la forma final de los prototipos. Por otro lado la mezcla del aglomerante se vio afectada por las altas temperaturas del desierto, haciendo que este catalizara muy rápido.