Universitat Oberta de Catalunya

Diseño e impresión en 3D de un patinete

Asignatura: Comunicación visual y creatividad

Nombre del estudiante: Ramon Buch Tarrats

Consultor y profesor: Ivan Serrano Regol y Irma Vilà Òdena

Introducción

Como diseñar en tres dimensiones e imprimir en una impresora 3D el prototipo de un patinete a escala real conociendo bien de antemano los pros de la tecnología “3D Printing“, así como la tecnología de impresión seleccionada (FDM, SLS, etc). La forma del producto diseñado está condicionado por los consejos y trucos de impresión que cada fabricante de impresoras y materiales ponen a disposición del usuario facilitando un mejor resultado de impresión.

En esta narración, que forma parte de la primera parte del trabajo de fin de grado titulado “Diseño, impresión 3D y comercialización de un patinete” os explico mi experiencia sobre como diseñé un patinete para usuarios/as de tres a seis años. Para ello intenté ser innovador para poder diferenciarme de la fuerte competencia que existe en este sector del mercado de juguetes.

Etapas y retos

Para diseñar un producto y prepararlo para la impresión 3D lo más importante es saber cuanto más mejor sobre este tipo de impresión. Si os embarcáis en un  proyecto semejante a este, os recomiendo que sigáis muy fielmente el abasto del este y planeéis bien el plan de contingencias porqué es fácil sobrepasar sin darse cuenta, su fecha límite de entrega. El principal peligro que existe en este estadio inicial del proyecto es el anhelo de perfección del producto. Debido a ello, podéis caer en un exceso de horas de autoaprendizaje en tecnología de impresión 3D y en el diseño de vuestro producto.

Las etapas que seguí durante el trabajo:

  • Esbozo del diseño
  • Representación en 3D
  • Pruebas de impresión
  • Impresión 3D

Esbozo del diseño

Los primeros esbozos del diseño del patinete se hicieron después de un aprendizaje básico del inmenso mundo de la impresión 3D y un estudio del coste de fabricación con distintos materiales e impresoras. El presupuesto para mi proyecto era muy modesto y  me decanté concretamente por la tecnología de impresión FDM (Fused Deposition Modeling), y el tipo de material PLA (Polylactic Acid), un polímero termoplástico biodegradable, flexible y resistente a los golpes, de bajo coste y apto para prototipos.

Evolución de los bocetos del patinete, partes y funcionalidades.

Un mismo producto puede imprimirse con decenas de materiales diferentes. Los materiales son una combinación de plásticos, metales y resinas para obtener diferentes propiedades físicas (resistencia a los golpes, deformación, flexibilidad, termo resistencia, peso, etc.). La calidad de vuestro producto estará muy ligada al tipo de material que utilicéis y al tipo de impresora. Por ejemplo, la elección de un material u otro puede provocar que se multiplique el coste de impresión, igualmente puede pasar con el tipo de impresora y su tecnología.

Si se os pasa por la cabeza comprar una impresora, aún que sea barata, pensadlo muy bien porqué imprimir en 3D tiene sus dificultades y necesita de mucha práctica. Sus materiales de impresión pueden ser caros, es necesaria mucha experiencia de impresión, las piezas se imprimen muy lentamente y si se estropean habrá que recurrir a un servicio de reparación que puede ser muy lento. Por esto, lo más recomendable es recurrir a servicios de impresión 3D profesionales.

Representación en 3D

Empezar a dibujar el prototipo en un programa 3D siempre es muy ilusionante porque vemos como el prototipo va tomando forma y se hace realidad. En este proceso es muy probable que tu diseño cambie ya que mientras lo vas diseñando te das cuenta de detalles que no se pensaron durante durante el esbozo. Si vuestro prototipo es muy complicado tenéis que utilizar un buen software. El programa que escogí fue el Blender, uno de los mejores software 3D gratuito.

Diseño 3D de las piezas.

Hay que tener en cuenta que las piezas no pueden ser mayores que el espacio de impresión de la impresora 3D, ya que cada impresora tiene unos límites de impresión que pueden variar respecto a otros modelos. Normalmente este espacio limitado varia entre 15 o 100 cm cúbicos. Debido a esto, el diseño de la piezas dependerá de estas dimensiones. Antes de empezar es importante hablar con tu operador de impresión para saber a qué límites de impresión te enfrentas y con que materiales puede imprimir. Ten en cuenta que según qué tipo de material utilices el diseño puede variar ya que según la función de cada pieza podrá estructurarse con más o menos soportes.

Piezas del patinete dentro de los límites del área de impresión.

Las únicas piezas que no se imprimieron fueron las ruedas y los manguitos del manillar del patinete, que se compraron en tiendas especializadas. El diseño en tres dimensiones del patinete fue variando considerablemente a medida que avanzaba su definición. Como el producto requerido era el de un patinete plegable que ocupase poco espacio, empecé diseñando las dimensiones y los encajes de los tubos del manillar y de la tabla.

Piezas complementarias no impresas del patinete (ruedas, ejes y manguitos) que serán acopladas a la estructura impresa.

Cuando tuve clara la estructura diseñada, tomé medidas de las ruedas y los manguitos para dibujar el manillar y las horquillas de las ruedas según sus dimensiones. Seguidamente me replanteé y mejoré el sistema de acoplamiento de todas las piezas añadiendo un hilo central que pasa por el interior de toda la estructura. De esta manera cuando el patinete está acoplado, al tensar el hilo, la estructura es más sólida y mejor cohesionada.

Vista ortogonal delantera.
El patinete desmontado comparado con el tamaño de una lata de refresco.
Secuencia que muestra el poco espacio que ocupa el patinete cuando está plegado, comparado con el tamaño de una lata de refresco.

Pruebas de impresión

Antes de imprimir todas la piezas del prototipo os recomiendo que imprimáis las más importantes ya que por métodos empíricos de impresión sabremos si el material seleccionado es el adecuado o la estructura soporta su función. En caso contrario podremos modificar o cambiar lo que sea sin demasiado coste.

Los problemas más comunes al imprimir son debido a que en el prototipo virtual, sin saberlo, puede contener objetos o puntos duplicados, caras invertidas, superficies irregulares, paredes demasiado delgadas, falta de soportes de refuerzo en la estructura, o figuras huecas entre otros. Si estos no se controlan, el resultado del prototipo impreso puede ser un fracaso, y consecuentemente, una vez resueltos, tendréis que asumir a regañadientes unos gastos de impresión mucho más elevados que los que figuran en el presupuesto.

Ya finalizado el prototipo, se genera el fichero de impresión compatible con la impresora 3D donde se imprimirá. Este fichero sirve para ser analizado a través de un programa de preparación y edición de modelos de impresión 3D. Estos programas nos avisan si hay alguna pared demasiado delgada, caras de piezas abiertas o invertidas, puntos duplicados, etc. y también nos calculan el precio y el tiempo de impresión (servicios de impresión online).

Prueba de impresión de uno de los tubos huecos del volante. De izquierda a derecha, el diseño en malla de alambre, el diseño renderizado y la pieza impresa en impresora 3D. La imagen de la derecha es una ampliación donde se aprecian las capas impresas.

En el caso de conjuntos estructurales que tienen que soportar una resistencia al peso, a la flexibilidad o a los golpes, lo más recomendable, es imprimir varias piezas con materiales diferentes para comprobar su aguante. Solamente es necesario imprimir alguna pieza de la estructura que represente la parte más crítica de esta para asegurarse que el grosor de sus caras y la unión de la capas del material depositado cumplan su objetivo. Si alguna pieza impresa no soporta las fuerzas físicas requeridas, sabremos donde mejorar el diseño para que sean totalmente fiables.

Hay varios datos que facilitan los fabricantes de materiales para calcular el grosor de la pared que configura una pieza o saber si se hay que reforzar su estructura con estructuras adicionales. Aún así, hasta que no se experimenta con casos reales de impresión 3D, el resultado puede ser inesperado porque cada impresora es mas o menos fiable según una combinación de variables, como la temperatura que necesitan los materiales para fusionarse, la velocidad de impresión, el grosor de la capas o la precisión de movimientos.

Uno de los trucos que existen para que una estructura impresa aguante un peso es imprimir la pieza horizontalmente para que las capas actúen como si fueran fibras y aguanten mucho mejor cualquier peso. Por ejemplo, si un tubo vertical tiene que soportar una fuerza de compresión, es mejor imprimirse verticalmente o en caso contrario, horizontalmente. 

Impresión 3D

Después de las pruebas de impresión y los ajustes necesarios, cuando el diseño ya está acabado, se exporta el prototipo virtual en un fichero numérico de impresión 3D. Hay varios formatos de impresión 3D, actualmente lo más populares son STL, OBJ, 3MF y AMF, y las tecnologías de impresión más extendidas son FDM (FFF), SLS, SLA y Polyjet.

Tecnología FDM (Fused Deposition Modeling). Fuente: MakerBot.
Dos tipos de impresora y rollos de material de impresión. Fuente: MakerBot

En el momento de imprimir el patinete, contacté con varios operadores de impresión 3D, que me hicieron un presupuesto y una predicción de entrega. Con los dos primeros operadores no tuve éxito porqué tuvieron muchos problemas de impresión debido a su falta de experiencia con estructuras complejas. Finalmente recurrí a un experto, que este sí, me imprimió bien y rápidamente todas las piezas.

Muestra de varias piezas impresas en 3D.

La impresión del patinete se hizo con el tipo de material PLA y la tecnología FDM. en una impresora para prototipados de la marca Colido, con un espacio de impresión de 30 x 30 x 45cm. La empresa de servicios de impresión 3D tardó 12 días en imprimirme la piezas y enviarlas a mi domicilio. Cuando llegaron tuve que quitar algunos soportes de impresión y lijar los perfiles de unión de cada pieza para que se acoplasen sin problemas.

Ejemplo de soportes de impresión utilizados para imprimir una “X”, que son eliminados cuando ha finalizado la impresión 3D. Fuente: 3D Hubs

Finalmente se acoplan todas las piezas (ruedas, tubos, ejes, manguitos y hilo tensor) y se comprueba que el resultado del prototipo sea el esperado. A partir de este resultado sabremos si hemos acertado con la resistencia, la dureza, la flexibilidad de la estructura diseñada del patinete o en caso contrario ya sabremos donde actuar para mejorar una nueva versión.

El patinete acabado y montado.

El patinete resultó suficientemente sólido y resistente para las demostraciones de montaje y desmontaje. También pude comprobar que es muy ligero y fácil de montar y desmotar. El hilo tensor que une todas las piezas de la estructura mantiene bien cohesionado todo el patinete y este soporta bastante peso.

Secuencia de imágenes del patinete desmontándose. El hilo tensor que pasa por el interior de la estructura también es útil para mantener el orden de cada pieza en el momento de montarlo o desmontarlo.

Conclusiones

Diseñar un producto e  imprimirlo en 3D es muy entretenido y divertido.  Si no tenéis nociones sobre la impresión en 3D, lo primero que os recomiendo es una lectura a fondo de una guía de principios básicos de impresión 3D. Seguidamente podéis empezar a dibujar vuestra idea. Si tenéis experiencia con el diseño en 3D, empezáis con buen pié y con mucho terreno recorrido. Los programas más recomendados son el Blender (gratuito), Maya o 3DS Max (comerciales). Todos ellos se instalan con el manual de uso.

Cuando el diseño del producto está finalizado, se encargan las piezas a los servicios de impresión 3D y al cabo de más o menos días (según la complejidad del producto), llega uno de los momentos más emocionantes; cuando recibes las piezas en tus manos y ves tu proyecto hecho realidad. Realmente es muy satisfactorio, y aún más, si todo ido sobre ruedas.

Quién quiera embarcarse en un proyecto semejante a este tiene que planificar bien el abasto y no ceñirse mucho a  las fechas de entrega que os comuniquen las empresas de servicios de impresión 3D ya que se enfrentan a nuevos retos cada día. Imprime algunas piezas con materiales y tecnología de impresión diferentes para poder comprobar la fiabilidad y funcionalidad deseada. También es muy recomendable presupuestar dos impresiones 3D del prototipo porqué la primera de ellas, revela tus errores o oportunidades de mejora para el prototipo final.

Al finalizar entregar el proyecto, me quedé con las ganas de continuar mejorándolo y aprender más sobre este moderno proceso de fabricación. Es emocionante, porqué está en constante proceso de evolución, y cada día que pasa, los resultados son mejores y la impresión es más rápida, al mismo tiempo que la oferta de materiales aumenta en diversidad, calidad y prestaciones.

La gran cantidad de materiales disponibles para la impresión 3D combinados con la tecnología de impresión son una de las variables más importantes que configuran el resultado final del producto. Me gustaría volver a realizar el proyecto y disponer de más tiempo y un mayor presupuesto para imprimir con nuevas configuraciones de impresión además de definir nuevos diseños.

Enlaces relacionados:

Documentación

Bibliografía:

  • 3D Hubs. Local Manufacturing. 3D Printing & 3D Machining [En línea]. 3D Hubs B.V. [Último acceso: Mayo del 2018]. Disponible en <https://www.3dhubs.com>
  • MakerBot. Connected 3D Printing Solutions [En línea]. MakerBot Industries / Stratasys. [Último acceso: Mayo del 2018]. Disponible en <https://www.makerbot.com>.
  • Blender Project. Free and Open 3D Creation Software [En línea]. Blender.org [Último acceso: Mayo del 2018]. Disponible en <https://www.blender.org>.

Autoría del artículo y las ilustraciones:

Ramon Buch.

Créditos y derechos de autor:

El contenido textual y gráfico que aparece en este artículo está creado por su autor, excepto en los casos donde se hace referencia a otras fuentes (mayo del 2018).

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Acerca del autor

Técnico Especialista en Delineación Industrial, Máster en Diseño Industrial y Desarrollo del Producto (UPC), Graduado Multimedia (UOC). Desde los dieciocho años he combinado el trabajo con los estudios. Empecé trabajando como Delineante Industrial e Informático, luego seguí como Infografista e Ilustrador, Diseñador gráfico y maquetador, y actualmente, Desarrollador y Diseñador gráfico de Webs y Multimedia para múltiples plataformas digitales.

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