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Módulo 10: Tecnologías de la Industria 4.0

Taller Presencial de Manufactura Aditiva

Unidad 2 - Día 6: Laminado en Cura, Filamentos y Operación de Impresoras 3D FDM

Programa: Maestría en Producción y Operaciones
Día: Sábado (Sesión 6 - Presencial)
Institución: UTC Laboratorio Físico
Unidad 2: Taller Presencial

Objetivos del Día 6

  • Configurar parámetros de **Slicing (Laminado)** en Ultimaker Cura adaptados para resistencia industrial.
  • Identificar y seleccionar los **materiales termoplásticos** correctos (PLA, ABS, PETG, TPU) según la aplicación mecánica.
  • Operar la **impresora 3D FDM** de forma física: calibración de cama caliente, carga de filamento y arranque de impresión.
  • Inspeccionar la **calidad geométrica** del engranaje impreso y realizar pruebas de ensamble físico.

Cierre del Hilo Secuencial:

Ayer modelamos procedimentalmente el engranaje reductor del eje 2 y lo validamos en AR. Hoy materializaremos físicamente ese archivo para reparar el robot.

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Impresión 3D en Acción
Fase de laminación y extrusión física por deposición fundida (FDM).
Procesos de Impresión

Tecnologías de Fabricación Aditiva

FDM (Fused Deposition)

Un filamento termoplástico se funde y extruye a través de una boquilla caliente, depositándose capa sobre capa en una plataforma móvil.

Ideal para prototipos funcionales y piezas de repuesto rápidas.

SLA (Stereolithography)

Un láser ultravioleta solidifica de forma selectiva resina fotopolimérica líquida contenida en una tina, capa a capa.

Ideal para piezas de altísima precisión y moldes de inyección.

SLS (Laser Sintering)

Un láser de alta potencia funde selectivamente partículas de polvo de polímero (comúnmente Nylon) para formar la estructura 3D.

Ideal para componentes mecánicos complejos sin soportes.

Configuración del Slicer

Parámetros Críticos en Laminación (Cura)

El software de laminado traduce el modelo 3D a código **G-code** (instrucciones G0/G1 de coordenadas y extrusión) controlando variables críticas:

Densidad y Patrón de Relleno (Infill)
Del 15% al 30% para piezas visuales; mayor al 50% para piezas funcionales. El patrón **Giroide (Gyroid)** es óptimo para cargas mecánicas multidireccionales.
Altura de Capa (Resolución Vertical)
0.1 mm para alta resolución y acabado liso; 0.2 mm o 0.3 mm para rapidez y prototipado estructural.
Parámetro Slicer Valor Común (PLA) Efecto Mecánico/Físico
Temp. Boquilla 190°C - 210°C Fusión y fluidez adecuada del material.
Temp. de Cama 50°C - 60°C Adherencia de la primera capa (evita warping).
Velocidad 40 - 60 mm/s Velocidades menores aumentan la adhesión.
Grosor de Pared 1.2 - 2.0 mm Determina la resistencia perimetral ante impacto.
Ciencia de Materiales

Comparativa de Filamentos Industriales

PLA vs ABS

**PLA (Ácido Poliláctico):** Fácil de imprimir, no tóxico, gran rigidez. Temperatura de fusor de 200°C. Sensible al calor (se deforma a > 55°C).

**ABS (Acrilonitrilo Butadieno Estireno):** Muy resistente a impactos y calor (hasta 90°C). Temperatura de fusor de 240°C y cama de 100°C. Requiere cabina cerrada para evitar contracción.

PETG vs TPU

**PETG (Tereftalato de Glicol):** Excelente resistencia química, tenacidad e impermeabilidad. Temperatura de fusor de 230°C. No sufre de contracción térmica severa.

**TPU (Poliuretano Termoplástico):** Altamente flexible y elástico, resistente al desgaste y abrasión. Requiere extrusión directa a bajas velocidades.

Hardware de Impresión

Anatomía y Puesta a Punto de Impresora 3D

Las impresoras 3D FDM clásicas operan en un sistema de ejes de coordenadas cartesianas controladas por motores paso a paso.

El Extrusor (Hotend)
Compuesto por un motor empujador de filamento, un bloque calentador con cartucho calefactor y termistor, y una boquilla (*nozzle*) de bronce (comúnmente 0.4 mm).
Calibración del Nivel Z (Z-Offset)
Ajusta la altura inicial exacta de la primera capa. Si es muy baja, se atasca; si es muy alta, el filamento no se adhiere y se despega la pieza.

Lista de Calibración

  • **Limpieza:** Limpiar el cristal/placa PEI con alcohol isopropílico al 99%.
  • **Nivelación:** Calibrar las 4 esquinas de la cama usando una hoja de papel (espesor de ~0.1 mm).
  • **Tensión:** Verificar tensión de correas X e Y (evita deformación elíptica en cilindros).
  • **Precalentamiento:** Estabilizar las temperaturas del fusor y cama antes de arrancar.
Taller en el Laboratorio

Práctica Presencial: Fabricación del Engranaje

¡Es hora de ir a las impresoras del laboratorio! Los maestrandos seguirán la guía paso a paso del modal interactivo:

  • **Fase de Software:** Cargar el engranaje, configurar los parámetros en Ultimaker Cura y exportar el código G-code.
  • **Fase de Hardware:** Nivelar la plataforma caliente de la impresora, cargar el filamento de PLA de 1.75 mm y ejecutar el archivo G-code.
  • **Fase de Control de Calidad:** Remover soportes si hubieran, calibrar tolerancias y acoplar el engranaje impreso en el robot.
📊
Métricas Estimadas de Fabricación:
• Tiempo de Impresión: ~1 hora 15 min
• Consumo de Filamento: ~18 gramos
• Material Requerido: PLA (1.75 mm)
• Tasa de Infill recomendada: 60%
Evaluación del Taller

Verificación de Conocimientos - Día 6

Pregunta 1 de 3
Puntuación: 0/3
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Gamificación Industrial

Minijuego: Optimizador de Impresión 3D

Línea de Manufactura Física de Piezas
1 Niv 1
🔒 Niv 2
🔒 Niv 3
🔒 Niv 4
🔒 Niv 5
Puntuación: 0 Pts
Vidas: ❤️ ❤️ ❤️
Nivel 1: El Slicing
¿Pregunta del nivel de juego?
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Cierre de la Semana 2

Conclusiones de la Unidad 2

Hemos completado la secuencia de automatización, ciberseguridad y manufactura aditiva de la Unidad 2:

Éxito del Reemplazo del Engranaje:
El acoplamiento físico y la verificación de tolerancias del engranaje impreso del eje 2 confirman que la celda de ensamble robótica vuelve a operar a su máxima capacidad de forma segura.
Preparación para la Semana 3 (IA y Big Data):
La próxima semana aprenderemos a utilizar Inteligencia Artificial y algoritmos de Machine Learning (Jupyter Notebooks) para predecir fallas y realizar mantenimiento preventivo inteligente.

¡Unidad 2 Completada!

Has completado exitosamente la secuencia práctica física e interactiva de la maestría.

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Laminado e Impresión 3D

Guía Práctica Exacta: Operación en Taller UTC

Paso 1: Cargar el Engranaje en Ultimaker Cura

Ultimaker Cura es la laminadora (Slicer) estándar del taller. Su trabajo es rebanar el modelo en cientos de capas bidimensionales y generar el archivo G-code.

  1. Abre la aplicación **Ultimaker Cura** en tu computador.
  2. Haz clic en el icono de carpeta arriba a la izquierda y selecciona el archivo **Engranaje_Eje2.glb** (o `.stl`) que exportaste de Blender.
  3. El modelo del engranaje aparecerá cargado y centrado en la cama virtual de la impresora.
Ultimaker Cura - Vista Cama
Modelo: Engranaje_Eje2
Escala: 100% | Posición: Centrado (0, 0, 0)
Malla Importada Exitosamente

Paso 2: Configurar Parámetros Críticos en Cura

El engranaje del eje 2 debe resistir altas fuerzas de torsión en la celda robótica. Calibraremos parámetros mecánicos avanzados:

  1. **Material:** Selecciona **Generic PLA** y perfil de boquilla de **0.4 mm**.
  2. **Altura de capa (Layer Height):** Configura a **0.2 mm** (punto óptimo de velocidad y precisión).
  3. **Relleno (Infill):** Modifica la densidad al **60%** y selecciona el patrón **Gyroid (Giroide)**.
  4. **Velocidad:** Configura a **50 mm/s** para asegurar la adherencia de las capas.
  5. **Adherencia:** Activa el parámetro de falda (**Skirt** o **Brim**) en la placa.
Configuración del Perfil
Layer Height:0.2 mm
Infill Density:60% (Gyroid)
Print Speed:50 mm/s
Extruder Temp:200 °C
Bed Temp:60 °C

Paso 3: Realizar Slicing y Exportar G-code

Realizaremos el cálculo numérico y comprobaremos los requerimientos de filamento y tiempo estimado antes de guardar.

  1. Haz clic en el botón azul **Slice** ubicado abajo a la derecha en Cura.
  2. Revisa los datos calculados: tiempo de impresión (**~1h 15m**) y consumo (**~18g** de filamento PLA).
  3. Haz clic en **Save to Disk** (o Save to Removable Device si insertaste la tarjeta SD de la impresora).
  4. Nombra el archivo **Engranaje_Eje2.gcode**. ¡Este código de coordenadas G0/G1 ya está listo!
Vista Previa G-code
;G-Code generado por Ultimaker Cura
G90 ;Posicionamiento absoluto
M104 S200 ;Calentar extrusor a 200°C
M190 S60 ;Esperar temperatura de cama 60°C
G28 ;Home todos los ejes
G1 F1500 E0 ;Iniciar extrusion...

Paso 4: Preparar la Impresora 3D Física en el Taller

Nos dirigimos a la máquina física asignada a tu grupo de posgrado. Realizaremos la calibración previa obligatoria:

  1. Asegúrate de que la cama caliente esté fría y límpiala con **alcohol isopropílico al 99%** usando una servilleta para eliminar grasa de manos.
  2. Enciende la impresora y activa el comando **Preheat PLA** (calentando la cama a 60°C y boquilla a 200°C).
  3. Realiza la nivelación manual: usa una **hoja de papel** de 80 gramos debajo de la boquilla en las 4 esquinas de la cama. Ajusta las perillas inferiores hasta que sientas una leve resistencia del papel al deslizarlo.
📏
Espesor de Nivelación: ~0.1 mm
La boquilla debe rozar suavemente la hoja de papel en cada extremo de la cama para asegurar que la primera capa no se despegue.

Paso 5: Alimentar el Filamento e Iniciar la Impresión

Cargaremos el filamento termoplástico e iniciaremos el flujo de material del extrusor.

  1. Corta la punta del filamento PLA (1.75 mm) a un ángulo de **45 grados** para facilitar su inserción.
  2. Presiona la palanca del extrusor e introduce el filamento hasta que empiece a gotear plástico fundido por la boquilla. Limpia la boquilla.
  3. Inserta la tarjeta SD con tu archivo **Engranaje_Eje2.gcode** en la impresora.
  4. En la pantalla LCD, selecciona **Print from SD** y elige tu archivo. ¡La máquina iniciará su secuencia de impresión!
Pantalla Estado de Impresión
[IMPRIMIENDO ENGRANAJE]
Progreso: 12% | Capa: 24/200
Extr: 200°C / 200°C Bed: 60°C / 60°C

Paso 6: Extraer la Pieza y Acoplar al Eje del Robot

La impresión ha finalizado con éxito. Realizaremos las comprobaciones físicas de tolerancias mecánicas:

  1. Espera a que la cama caliente se enfríe a menos de **30°C**. Esto contraerá ligeramente el plástico facilitando su desprendimiento sin deformaciones.
  2. Retira la pieza con cuidado usando una espátula de metal plana.
  3. Inspecciona el engranaje físicamente: comprueba que no tenga hilos (stringing) ni deformidades.
  4. Ensambla el engranaje en el eje 2 del robot físico del laboratorio. Verifica que gire sin fricciones. ¡El robot clasificador vuelve a estar operativo y la práctica ha concluido con éxito!
Reporte de Ensamble Físico
[VERIFICACIÓN COMPLETADA]
• Elemento: Engranaje Eje 2 PLA
• Tolerancia Z: Ajuste H7/h6 OK
¡CELDA DE AUTOMATIZACIÓN OPERATIVA!